(2) 光伏发电对电网稳定运行问题：由于光伏 发电过度依赖天气状况，所产生的电量很不稳定， 因此需要保证光伏电站和水电、火电等电站的配
合发电，最大程度地文献 [1] IEEE STD 929-2000 IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic(PV)Systems[S]． [2] 张海林，杨勇．自动化系统中的串行通信协议的设计[J]．计 算机工程与应用，2003，39(31)：159 — 160． [3] 王飞，余世杰，苏建徽，等．太阳能光伏并网发电系统的研 究[J]．电工技术学报，2005，20(5)：72 — 74． [4] 周德佳，赵争鸣，吴理博，等．基于仿真模型的太阳能光伏 电池阵列特性的分析[J]．清华大学学报 (自然科学版)，2007，47 (7)：1109 — 1112，1117． [5] Masters G M．Renewable and efficient electric power systems [M]．Hoboken，NJ：Wiley，2004． [6]郑诗程，夏伟．三相光伏并网系统的控制策略研究[J]．电力 电子，2007，(3)：43 — 46．
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制氢的现象[1]，该领域迅速成为国际前沿和研究热 点。在这项研究工作之后，世界各国的科学家除了 对 TiO2 光催化剂进行大量系统的研究外，还合成 了大量新型的半导体光催化剂材料[2～5]。但到目前 为止，大部分光催化剂半导体只在紫外光区有响 应，而紫外光在太阳光能量中的比例不足 5%，可 见光则约占太阳光总能量的 43%，因此研究和开 发高效、稳定、廉价的可见光光催化剂是提高太阳 能利用效率的关键。本文综述了近年来可见光区 光催化分解水制氢的研究进展。
Domen 等[13]用 NH3 高温氮化 Ta2O5 制备了 N 原子部分或完全取代 O 原子的钽基氮氧化物 TaON 和 Ta3N5。Ta2O5 的带宽为 3.9eV，仅仅能吸 收紫外光，但是TaON 及Ta3N5的吸收边分别红移 到了 2.4 eV 和 2.1eV，对可见光有很强的吸收，而 且TaON和Ta3N5满足光催化分解水同时产氢和产 氧的条件[14]。作者通过高温高压氨气对合成的 Ta3N5 催化剂进行后处理，经处理的催化剂产氢活 性比未处理的催化剂活性提高了 5 倍[15]。
2005 年 Domen 研究小组[16]将 Ga2O3 和 ZnO 的 混合物进行高温氮化制备了 (Ga1-xZnx)(N1-xOx)固溶 体催化剂，XRD 显示(Ga1-xZnx)(N1-xOx)具有与 GaN 和 ZnO 相同的纤维锌矿结构，可认为是 GaN 和 ZnO 形成的固溶体。GaN和ZnO的禁带宽度分别为3.4eV 和 3.2eV，均只能吸收紫外光，但形成的固溶体 (Ga1-xZnx)(N1-xOx)却在可见光区有明显的吸收。该 固溶体光催化剂在300～480nm波长范围内的平均 量子效率为 0.14%。在随后的工作中，该研究组[17] 通过添加助剂 Rh和 Cr 的混合氧化物后，显著提高 了该固溶体催化剂的光催化产氢活性，4 20 ～ 440nm可见光区的平均量子效率达到了2.5%。通过 对光催化剂进行加热后处理，该研究组在固溶体
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的TiO2−xNx催化剂薄膜，该薄膜在可见光区具有一 定的吸收，并且在可见光下能降解亚甲基蓝和甲 醛气体。在此工作之后，Khan 研究小组[11]将金属 钛片在天然气气氛中煅烧制备了C掺杂的TiO2−xCx 碳化物催化剂，由于碳的掺杂，TiO2−xCx 可吸收波 长小于 535nm 的部分可见光。在施加 0.3V 的偏压 后，该催化剂分解水产氢的最大光转换效率达到 了 8.35%。这两个工作开创了可见光 TiO2 光催化 剂研究的先河，并且将其理念扩展到了其他光催 化体系，极大地促进了可见光光催化剂研究的发 展。2010 年 Zuo F 等人[12]通过一步燃烧法制备了 部分还原态 TiO2，EPR 证实 TiO2 的体相存在 Ti3+ 离子，UV-Vis 吸收光谱表明 Ti3+ 离子将 TiO2 的吸 收边扩展到了可见区，使得该 TiO2 催化剂具有较 高的可见光光催化产氢活性。
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要低，光生空穴会从 CdS 转移到 LaMnO3 上，然后 发生氧化反应；质子的还原反应则在 CdS 表面发 生。同样光生电子－空穴的分离效率得到了提高， 光催化活性也有了很大的改善。周鹏等人[27]以 Na2S 为硫源，通过共沉淀法制备了 ZnS-CdS/SiO2 复合光催化剂，并且形成了以ZnS 为外层，以CdS 为壳的包覆型结构，提高了电子－空穴对的分离 效率和对光能的利用效率，从而增加了光催化产 氢活性。Li 等[28]采用溶剂热的方法合成了石墨烯 修饰的 CdS 复合材料，此纳米复合催化剂在可见 光照射下光催化产氢速率达到了 1.12mmol/h，是 纯 CdS 纳米粒子产氢活性的 6 倍，420nm 波长处 的表观产氢量子效率高达 22.5%。作者认为石墨 烯作为电子收集器延长了CdS中光生载流子的寿 命是该复合体系高活性的主要原因。Ge等人[29]用 化学浸渍法合成了 CdS 量子点耦合石墨状 C3N4 形成的复合光催化剂，研究发现C3N4与 CdS的协 同作用促进了光生载流子的高效分离，该复合光 催化剂在可见光区的产氢速率是纯 C3N4 催化剂 的 9 倍。
3 硫化物光催化体系 CdS半导体是人们研究最多的具有可见光响应 的硫化物光催化剂，它的禁带宽度为 2.4eV，可吸 收波长小于 510nm的太阳光。1981 年，Gratzel[20]报 道了 Pt 和 RuO2 共担载的 CdS 光催化体系可等化学 计量比的分解纯水为氢气和氧气，但是否能采用 CdS 光催化产氧目前还存在着很大的争议。影响 CdS的光催化产氢活性的因素有很多，例如CdS的 晶体结构和制备方法[21, 22]、CdS的助催化剂结构和 类型[23]、反应所用牺牲剂、反应温度、反应液 pH 值等[24]。 Jang 等[25]利用 TiO2 来修饰 CdS 纳米线，制备 出了 TiO2/CdS 复合可见光催化剂。当用可见光照 射该复合体系时，CdS 吸收可见光产生光生电子 －空穴对。由于 CdS 的导带位置比 TiO2 更高，光 生电子就从 CdS 的导带转移到 TiO2 的导带上，在 TiO2 表面上发生还原反应；空穴则继续留在 CdS 的价带中，在 CdS 的表面发生氧化反应，这样就 实现了光生电子－空穴在空间上的分离，大大提 高了其分离效率，进而提高了光催化活性。日本的 Kida 研究组[26]开发了 CdS-LaMnO3 复合光催化体 系，在该体系中单独的 CdS 仅有少量的产氢活性， 单独的LaMnO3没有产氢活性。但是将两者耦合以 后 CdS-LaMnO3 复合光催化剂的产氢活性有了很 大的提高。作者认为 CdS 的价带比 LaMnO3 的价带
二 光催化分解水的基本原理 当用一束光子能量高于半导体禁带宽度的光
照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁， 从价带跃迁至导带，在导带产生电子e-，在价带生 成空穴 h+。光生电子和空穴因库仑相互作用被束 缚形成电子－空穴对，这种电子－空穴对根据其 能量具有一定的还原和氧化能力。光生电子和空 穴对产生后会向催化剂表面迁移，在迁移过程中， 大部分光生电子和空穴会发生体相和表面复合过 程，导致光催化剂效率低下。当光生电子迁移到光 催化剂表面被捕获后，在适合的条件下会与吸附 物种 H+ 发生还原反应生成 H2，而空穴则会与吸附 物种 OH- 发生氧化反应生成 O2。由于分解纯水的 艷 值为 237.2kJ/mol，因此从热力学的角度考虑， 分解水的反应非常难以进行，需要提供一定的外 界能量，理论上半导体的禁带宽度要大于 1.23eV 才可能实现水的分解反应。但实际上还存在光能 损失、电化学中的过电位、反应物吸附、产物脱附 等多方面的要求，一般认为最合适的禁带宽度约 为 1.8eV。
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五 结论 本文对天津大学 10kWp 非晶硅光伏直接并网
系统进行了介绍。随着光伏器件价格的不断下降和 国家对光伏产业的政策扶持，光伏发电必将会成为 能源结构中的重要组成因素。通过对其一部分时间 的监测，目前仍需进一步研究的光伏并网问题为：
(1) 选址问题：光伏直接并网系统选址需考虑 到当地的气候因素、负荷情况以及并入电网的等 级和容量问题，而光伏组件往往对占地面积需求 较大，建议推广光伏屋顶并网系统。
三 可见光半导体光催化材料 1 氧化物光催化体系 由于 O2p轨道能量较高导致氧化物半导体带
宽较大，一般只能吸收紫外光，在可见光下能分 解水产氢的氧化物半导体数量非常少，但是通过
对催化剂的金属组分进行适当的调变，人们设计 合成了多种在可见光下可分解水产氢的光催化剂。 韩国的 Lee 小组[6]合成了一种新型的 PbBi2Nb2O9 光催化剂，其禁带宽度为 2.88eV，对可见光有很 好的吸收。以甲醇为牺牲剂，用 λ>420nm 的可见 光照射含有 1wt%Pt/PbBi2Nb2O9 光催化剂的反应 溶液时，产氢速率为7.6µmol/h，量子效率为0.95%， 而且该催化剂在光照条件下能够保持稳定。2001 年邹志刚等[7]报道了 Ni 掺杂的 InTaO4 光催化材 料，在世界范围内首次实现了可见光照射下纯水 分解，虽然量子产率很低，但是该研究为太阳能 分解水制氢这一关键技术的突破奠定了基础。 2008 年，上官文峰研究组和日本 Teroaka 小组合 作制备了BiYWO6氧化物固溶体光催化体系[8]。该 催化剂可认为是 Bi2WO6 和 Y2WO6 两种半导体组 成的固溶体，它的导带由 Y4d+W5p+Bi6p 共同组 成，其价带由 Bi6s+O2p 组成，由于 Bi6s 的参与 使得催化剂价带位置提高，禁带宽度为 2.71eV， 在可见光区具有很好的吸收。担载贵金属助剂的 BiYWO6 可在可见光照射下分解纯水同时产生氢 气和氧气。唐新德等人[9]采用固相法制备了 Cr 掺 杂的光催化剂 Sm2InN b O 7，研究表明 Cr 对 Sm2InNbO7 的适量掺杂不会改变原晶体的结构， 而且 Cr 的掺杂使得 Sm2InNbO7 在可见光区的光吸 收呈明显增加趋势，当 Cr 的掺杂量为 2% 时，可 见光催化分解水析氢速率为掺杂改性前析氢速率 的 3.9 倍。