表面光電壓譜課件

思考題：1、說明表面光電壓譜測(cè)量原理；并列舉兩種表面光伏測(cè)量方法2、利用表面光電壓譜方法測(cè)量材料的禁帶寬度3、說明染料敏化光電氣敏的檢測(cè)原理3/24/20231表面光伏現(xiàn)象：原理、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用王德軍謝騰峰

吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院

2011年6月3/24/20232一．表面光伏原理

二．表面光伏技術(shù)分類

三．表面光伏測(cè)量的應(yīng)用

半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型的確定

少數(shù)載流子擴(kuò)散距離的測(cè)定

表面態(tài)參數(shù)的測(cè)定

納米尺度表面光伏特性研究

表面光伏氣敏特性研究

譜帶認(rèn)證3/24/20233SurfacePhotovoltagephenomena:Theory,experimentandapplicationL.Kronik,YShapiraSurfaceScienceReports254(1999)1-205

3/24/20235SPV檢測(cè)原理1.帶－帶躍遷情況2.亞帶隙躍遷情況3/24/20236SPV檢測(cè)原理

1.帶－帶躍遷情況2.亞帶隙躍遷情況3/24/20237圖2.n－型(左圖)和p－型(右圖)半導(dǎo)體材料在光誘導(dǎo)下，表面勢(shì)壘高度(Vs)的變化過程。3/24/20239圖3.雙面接觸的n型半導(dǎo)體，一側(cè)保持暗態(tài)，另一側(cè)受光照射，兩側(cè)表面勢(shì)壘高度(Vs)的變化。h暗態(tài)3/24/202310SPV檢測(cè)原理

1.帶－帶躍遷情況2.亞帶隙躍遷情況3/24/202311體相雜子能級(jí)相關(guān)的光伏響應(yīng)3/24/202313

表面光伏檢測(cè)方法表面光電壓譜(SPS)瞬態(tài)表面光伏檢測(cè)表面光電微納尺度掃描穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)表面光伏技術(shù)分類二．表面光伏技術(shù)分類3/24/202314穩(wěn)態(tài)表面光電壓譜Schematicrepresentationoftheexperimentalset-upforsurfacephotovoltagespectroscopy3/24/202315

表面光伏檢測(cè)方法表面光電壓譜(SPS)瞬態(tài)表面光伏檢測(cè)表面光電微區(qū)掃描穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)表面光伏技術(shù)分類3/24/202317Kelvin探針表面光伏技術(shù)（動(dòng)態(tài)）3/24/202318能夠給出接觸勢(shì)壘高度的改變量（表面功函改變）得到表面光電壓譜3/24/202319

表面光伏檢測(cè)方法表面光電壓譜(SPS)瞬態(tài)表面光伏檢測(cè)表面光電微區(qū)掃描穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)表面光伏技術(shù)分類3/24/202321瞬態(tài)表面光伏測(cè)量3/24/202322瞬態(tài)PV的測(cè)試不同導(dǎo)電類型對(duì)測(cè)試的影響p-typen-typeFrom:J.Appl.Phys.91,9432(2002)3/24/202323Fig.3thetransientphotovoltageoftheheterostructureathigherilluminationintensityof18mJand50mJ.

3/24/202325

表面光伏檢測(cè)方法表面光電壓譜(SPS)瞬態(tài)表面光伏檢測(cè)表面光電微納尺度掃描穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)表面光伏技術(shù)分類3/24/202326TheSPSandFISPSofazopigmentsAandC(1)利用場(chǎng)效應(yīng)原理判別導(dǎo)電類型CACA3/24/202329(n-Si/TiO2)/B(n-Si/TiO2)/Be-e-3/24/2023303/24/202331(n-Si/TiO2)/B’(n-Si/TiO2)/B’e-e-光致電荷轉(zhuǎn)移過程3/24/202332(a)(b)thesurfacepotentialimageofn-Si/TiO2/B'underillumination,(a)twodimensionand(b)threedimension(n-Si/TiO2)/(B)eh3/24/202333表面光電微區(qū)掃描近場(chǎng)掃描3/24/202334對(duì)于穩(wěn)態(tài)表面光伏的影響因素

1．樣品吸收特性(消光系數(shù)、躍遷屬性等)2．樣品內(nèi)阻3．樣品粒徑4．調(diào)制頻率5．環(huán)境因素6．外場(chǎng)7．電極8．相位3/24/202335

樣品內(nèi)阻對(duì)表面光伏的影響3/24/202336

樣品粒徑對(duì)表面光伏的影響3/24/202337相位影響3/24/202338在材料科學(xué)上的應(yīng)用

半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型的確定

少數(shù)載流子擴(kuò)散距離的測(cè)定

表面態(tài)參數(shù)的測(cè)定

表面光伏氣敏特性研究

譜帶認(rèn)證半導(dǎo)體材料的禁帶寬度的測(cè)定3/24/202339半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型的確定1、光伏響應(yīng)方向或相位角三種方式來確定3/24/202340TheSPSandFISPSofazopigmentsAandCCA

利用場(chǎng)效應(yīng)光伏響應(yīng)XieTengfeng,WangDejun.Phys.Chem.B2000,104,8177-81813/24/202341Eg=1/l

(nm)×1240=1/390×1240=3.18eV半導(dǎo)體材料的禁帶寬度的測(cè)定ll3/24/202342表面光伏測(cè)量應(yīng)用實(shí)例：1、太陽能電池研究2、光電氣敏特性研究3、光催化研究3/24/202343Zn摻雜TiO2微球的形貌分析0%ZnSEM0.25%ZnSEM0.5%ZnSEM1%ZnSEM0.5%ZnFESEM0.5%Zn450℃FESEMZn/Ti摩爾比為0.5%時(shí)，TiO2微球尺寸接近均一。熱處理前后形貌基本一致。Zn摻雜TiO2微球染料敏化太陽電池應(yīng)用

1、太陽能電池研究的應(yīng)用3/24/202344Zn摻雜TiO2微球的表面光電壓譜不同Zn/Ti摩爾比的TiO2微球的表面光電壓譜。插圖為表面光電壓譜/場(chǎng)誘導(dǎo)表面光電壓譜的裝置示意圖應(yīng)該做它的表面光電流！！3/24/202345(a)(b)染料敏化前染料敏化后Zn摻雜TiO2微球的瞬態(tài)光伏激發(fā)波長355nm激發(fā)水平50mJ激發(fā)波長532nm激發(fā)水平50mJ3/24/202346基于Zn摻雜TiO2微球薄膜電極的染料敏化太陽電池的性能測(cè)試SampleVoc(V)Jsc(mA/cm2)FF(%)SBET(m2/g)TiO20.632.000.460.5819.320.25%Zn-TiO20.6412.410.423.3230.820.5%Zn-TiO20.7314.580.444.6348.691.0%Zn-TiO20.757.140.492.6052.96不同Zn摻雜量的DSSCs的I-V特性曲線Voc隨Zn含量的增加而增加。Jsc和在Zn/Ti為0.5%時(shí)最大。各電池的填充因子較低。尺寸、形貌對(duì)電池的影響。YuZhang,DejunWang,TengfengXie,ElectrochimicaActa，inpress,3/24/202347ZnO納米陣列/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)敏化太陽電池性能研究ZnO/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)紫外可見漫反射吸收光譜可見吸收隨CdS的增多而紅移，強(qiáng)度逐漸增大3/24/202348ZnO/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的的表面光電壓譜

光伏響應(yīng)的閾值和強(qiáng)度隨CdS量的不同發(fā)生了有規(guī)律的變化3/24/202349YuZhang，TengfengXie,DejunWangetal.Nanotechnology,2009,20,155707532nm激發(fā)激發(fā)水平50mJ/pulse3/24/202350電池性能隨CdS負(fù)載量的增加而提升，填充因子有所下降。量子點(diǎn)敏化太陽電池的I-V特性曲線光電轉(zhuǎn)換效率很低！3/24/202351

納米ZnO的表面光伏特性研究

3/24/202352納米ZnO性質(zhì)研究ZnO的發(fā)光性質(zhì)的研究（熱點(diǎn)研究領(lǐng)域）光生電荷的研究

3/24/202353納米ZnO性質(zhì)研究ZnO的發(fā)光性質(zhì)的研究（熱點(diǎn)研究領(lǐng)域）光生電荷的研究

3/24/202354光生電荷產(chǎn)生分離產(chǎn)生有效的光生電子－空穴復(fù)合產(chǎn)生熒光自建場(chǎng)產(chǎn)生的分離Dember效應(yīng)關(guān)于光生電荷性質(zhì)了解納米ZnO3/24/202355TEMimagesoftheZnOquantumdots(a)andZnOnanorods(b)3/24/202356

SPSresponseofZnOquantumdotsunderdifferenteletricalfields電子－空穴的量子限域特性激子直徑2.5nm3/24/202357（A）（B）Fig5.FISPSresponseofZnOnanorods。（A）Positivefield；（B）Negativefield3/24/202358束縛激子態(tài)FISPS響應(yīng)的特征：

在能量上一般都發(fā)生在帶邊隨外場(chǎng)強(qiáng)度不對(duì)稱變化隨外場(chǎng)峰位不對(duì)稱變化限域態(tài)、自由激子態(tài)FISPS響應(yīng)的特征：

光伏強(qiáng)度隨外場(chǎng)線性增強(qiáng)光伏極性隨外場(chǎng)極性改變對(duì)稱變化3/24/202359自建場(chǎng)對(duì)表面光伏和熒光的調(diào)控作用原位發(fā)光－光電的關(guān)系光伏3/24/202360Fig5.SPVresponse(a)andPL(b)ofZnOnanoparticlesEm.350nm

原位發(fā)光－光伏的關(guān)系發(fā)光3/24/2023612、表面光電流研究－光電氣敏3/24/202362樣品ITO膜光學(xué)玻璃3/24/202363MinYang,DejunWang;SensorsandActuatorsB117(2006)80–853/24/202364

(a)ASchematicviewfthecorrespondingequilibriumbanddiagram(－theaveragegrain-boundarypotentialbarrier).(b)theschematicdiagramofenergybandmodesofdye-sensitizedZnOandtheprocessofphoto-inducechargetransferringfromAzopigmenttoZnOnanoparticles.(a)(b)3/24/202365Response–recoverycurvesofthesensingfilmfabricatedwithcopperdopedZnOnanocrystalstodifferentconcentrationsof(a)ethanol.LiangPeng,De-JunW