表面光電壓譜課件

1、思考題：1、說明表面光電壓譜測量原理；并列舉兩種表面 光伏測量方法2、利用表面光電壓譜方法測量材料的禁帶寬度3、說明染料敏化光電氣敏的檢測原理8/1/20221表面光伏現(xiàn)象：原理、實驗和應用王德軍 謝騰峰 吉林大學化學學院 2019 年 6 月 8/1/20222一表面光伏原理 二 表面光伏技術分類 三表面光伏測量的應用 半導體材料導電類型的確定 少數(shù)載流子擴散距離的測定 表面態(tài)參數(shù)的測定 納米尺度表面光伏特性研究 表面光伏氣敏特性研究 譜帶認證8/1/20223 4050年代， Brattain和Bardeen諾貝爾講演揭開了表面光伏研究的序幕 60年代，Johnson和 Goodman等人

2、利用SPV方法測量了少數(shù)載流子的壽命，并發(fā)展了少數(shù)載流子擴散長度的理論模型，奠定了硅太陽能電池的基礎。 70年代，Gatos等人系統(tǒng)地進行了亞帶表面光伏的研究，對半導體的表面態(tài)進行了研究。 90年代，SPV相關技術發(fā)展的最活躍，Lagowski等人 用SPV掃描Si片表面，結合掃描探針技術的尖得到SPV測量，較大的改善了分辨率。8/1/20224Surface Photovoltage phenomena:Theory, experiment and applicationL.Kronik, Y ShapiraSurface Science Reports 254(2019)1-205 8/1

3、/20225SPV檢測原理 1. 帶帶躍遷情況 2. 亞帶隙躍遷情況8/1/20226SPV檢測原理 1. 帶帶躍遷情況 2. 亞帶隙躍遷情況8/1/20227圖1. 具有Schottky勢壘的帶彎，p型(上圖)和n型 (下圖)半導體與金屬形成的勢壘接觸。固/固液/固氣/固8/1/20228圖 2. n型(左圖)和p型(右圖)半導體材料在光誘導 下， 表面勢壘高度(Vs)的變化過程。8/1/20229圖 3. 雙面接觸的n型半導體，一側保持暗態(tài)，另一 側受光照射，兩側表面勢壘高度(Vs)的變化。h暗態(tài)8/1/202210SPV檢測原理 1. 帶帶躍遷情況 2. 亞帶隙躍遷情況8/1/20221

4、1亞帶隙躍遷的光伏響應8/1/202212體相雜子能級相關的光伏響應8/1/202213 表面光伏檢測方法 表面光電壓譜(SPS)瞬態(tài)表面光伏檢測表面光電微納尺度掃描穩(wěn)態(tài)動態(tài)表面光伏技術分類二 表面光伏技術分類8/1/202214穩(wěn)態(tài)表面光電壓譜Schematic representation of the experimental set-up for surface photovoltagespectroscopy8/1/202215表面光電壓譜儀浙江大學科學院北京化學所燕山大學(2)黑龍江大學(2)遼寧師范大學(2)河南大學西南交大上海交大東北師范大學（2）哈爾濱工業(yè)大學（2）四川理工學

5、院8/1/202216 表面光伏檢測方法 表面光電壓譜(SPS)瞬態(tài)表面光伏檢測表面光電微區(qū)掃描穩(wěn)態(tài)動態(tài)表面光伏技術分類8/1/202217Kelvin探針表面光伏技術（動態(tài)）8/1/202218能夠給出接觸勢壘高度的改變量（表面功函改變）得到表面光電壓譜8/1/202219dc SPV spectrum of ZnO array with illumination on top from 600 nm to 300 nm. Inset: Schematic setup of Kelvin Probed based SPV measurement. 380 nm: weak change of

6、 DCPD8/1/202220 表面光伏檢測方法 表面光電壓譜(SPS)瞬態(tài)表面光伏檢測表面光電微區(qū)掃描穩(wěn)態(tài)動態(tài)表面光伏技術分類8/1/202221瞬態(tài)表面光伏測量8/1/202222瞬態(tài)PV的測試不同導電類型對測試的影響p-typen-typeFrom:J. Appl. Phys. 91, 9432 (2019)8/1/202223Figure 2. the transient photovoltage of the heterostructure illuminated from the frontside ( the inset of fig.2) with the illuminati

7、onIntensity of 7mJ.Front illumination8/1/202224Fig. 3 the transient photovoltage of the heterostructure at higher illumination intensity of 18mJ and 50mJ. 8/1/202225 表面光伏檢測方法 表面光電壓譜(SPS)瞬態(tài)表面光伏檢測表面光電微納尺度掃描穩(wěn)態(tài)動態(tài)表面光伏技術分類8/1/202226微納區(qū)域表面光電特性研究 (遠場掃描)KFM模式8/1/202227n 型半導體 n Si; n-TiO2p 型 偶氮類化合物8/1/202228T

8、he SPS and FISPS of azo pigments A and C(1) 利用場效應原理判別導電類型CACA8/1/202229(n-Si/TiO2)/B(n-Si/TiO2)/Be-e-8/1/2022308/1/202231(n-Si/TiO2)/B(n-Si/TiO2)/Be-e-光致電荷轉(zhuǎn)移過程8/1/202232(a) (b)the surface potential image of n-Si/TiO2/B under illumination, (a) two dimension and (b) three dimension(n-Si/TiO2)/(B)eh8/1

9、/202233表面光電微區(qū)掃描近場掃描8/1/202234對于穩(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 7電極 8相位8/1/202235 樣品內(nèi)阻對表 面光伏的影響8/1/202236 樣品粒徑對表 面光伏的影響8/1/202237相位影響8/1/202238在材料科學上的應用 半導體材料導電類型的確定 少數(shù)載流子擴散距離的測定 表面態(tài)參數(shù)的測定 表面光伏氣敏特性研究 譜帶認證 半導體材料的禁帶寬度的測定8/1/202239 半導體材料導電類型的確定1、光伏響應方向 或相位角三種方式來確定8/1/202240The

10、 SPS and FISPS of azo pigments A and CCA 利用場效應光伏響應Xie Tengfeng, Wang Dejun. Phys. Chem. B 2000, 104, 8177-81818/1/202241Eg = 1/l (nm) 1240 = 1/390 1240 = 3.18 eV半導體材料的禁帶寬度的測定ll8/1/202242表面光伏測量應用實例： 1、太陽能電池研究 2、光電氣敏特性研究 3、光催化研究8/1/202243Zn摻雜TiO2微球的形貌分析0% Zn SEM0.25% Zn SEM0.5% Zn SEM1% Zn SEM0.5% Zn

11、FESEM0.5% Zn 450 FESEMZn/Ti摩爾比為0.5%時，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用 1、太陽能電池研究的應用8/1/202244Zn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/場誘導表面光電壓譜的裝置示意圖應該做它的表面光電流！8/1/202245(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 355 nm 激發(fā)水平50mJ激發(fā)波長 532 nm 激發(fā)水平50mJ8/1/202246基于Zn摻雜TiO2微球薄膜電極的染料敏化太陽電池的

12、性能測試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%時最大。各電池的填充因子較低。尺寸、形貌對電池的影響。Yu Zhang, Dejun Wang, Tengfeng Xie, Electrochimica

13、 Acta， in press, 8/1/202247ZnO納米陣列/CdS異質(zhì)結構敏化太陽電池性能研究ZnO/CdS異質(zhì)結構紫外可見漫反射吸收光譜可見吸收隨CdS的增多而紅移，強度逐漸增大8/1/202248ZnO/CdS異質(zhì)結構薄膜的的表面光電壓譜 光伏響應的閾值和強度隨CdS量的不同發(fā)生了有規(guī)律的變化8/1/202249Yu Zhang，Tengfeng Xie, Dejun Wang et al. Nanotechnology, 2009, 20, 155707532 nm 激發(fā)激發(fā)水平50 mJ/pulse8/1/202250電池性能隨CdS負載量的增加而提升，填充因子有所下降。量子

14、點敏化太陽電池的I-V特性曲線光電轉(zhuǎn)換效率很低！8/1/202251 納米ZnO的表面光伏特性研究 8/1/202252納米ZnO性質(zhì)研究ZnO的發(fā)光性質(zhì)的研究（熱點研究領域）光生電荷的研究 8/1/202253納米ZnO性質(zhì)研究ZnO的發(fā)光性質(zhì)的研究（熱點研究領域）光生電荷的研究 8/1/202254光生電荷 產(chǎn)生分離產(chǎn)生有效的光生電子空穴復合產(chǎn)生熒光自建場產(chǎn)生的分離Dember效應關于光生電荷性質(zhì)了解納米ZnO8/1/202255TEM images of the ZnO quantum dots (a) and ZnO nanorods (b) 8/1/202256 SPS respon

15、se of ZnO quantum dots under different eletrical fields電子空穴的量子限域特性激子直徑2.5 nm8/1/202257 （A） （B） Fig 5. FISPS response of ZnO nanorods。（A）Positive field ； （B） Negative field8/1/202258束縛激子態(tài)FISPS響應的特征： 在能量上一般都發(fā)生在帶邊 隨外場強度不對稱變化 隨外場峰位不對稱變化限域態(tài)、自由激子態(tài)FISPS響應的特征： 光伏強度隨外場線性增強 光伏極性隨外場極性改變對稱變化8/1/202259自建場對表面光伏和熒

16、光的調(diào)控作用原位發(fā)光光電的關系 光伏8/1/202260Fig 5. SPV response (a) and PL (b) of ZnO nanoparticlesEm. 350 nm 原位發(fā)光光伏的關系 發(fā)光8/1/2022612、表面光電流研究光電氣敏8/1/202262樣品ITO膜光學玻璃8/1/202263Min Yang, Dejun Wang;Sensors and Actuators B 117 (2019) 80858/1/202264 (a) A Schematic view f the corresponding equilibrium band diagram (the

17、 average grain-boundary potential barrier). (b) the schematic diagram of energy band modes of dye-sensitized ZnO and the process of photo-induce charge transferring from Azo pigment to ZnO nanoparticles. (a)(b)8/1/202265Responserecovery curves of the sensing film fabricated with copper doped ZnO nan

18、ocrystals to different concentrations of (a) ethanol.Liang Peng, De-Jun Wang ，Sensors and Actuators B 131 (2019) 6606648/1/202266在545nm光激發(fā)下，ZnO/RuN3吸附O2時光電流的變化情況8/1/202267Bi摻雜TiO2納米球的制備及光催化研究3、光催化研究8/1/202268Bi-TiO2納米球的漫反射吸收譜 樣品的吸收帶邊均拓展到了620 nm的可見光區(qū)摻雜量提高，吸收強度無明顯變化8/1/202269Bi-TiO2納米球的SPS及Phase結果Bi-TiO2納米球的光電性質(zhì)有