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1、思考题：1、说明表面光电压谱测量原理；并列举两种表面 光伏测量方法2、利用表面光电压谱方法测量材料的禁带宽度3、说明染料敏化光电气敏的检测原理,表面光伏现象：原理、实验和应用王德军 谢腾峰 吉林大学化学学院,2011 年 6 月,一表面光伏原理 二 表面光伏技术分类 三表面光伏测量的应用 半导体材料导电类型的确定 少数载流子扩散距离的测定 表面态参数的测定 纳米尺度表面光伏特性研究 表面光伏气敏特性研究 谱带认证,4050年代，Brattain和Bardeen诺贝尔讲演揭开了表面光伏研究的序幕 60年代，Johnson和 Goodman等人利用SPV方法测量了少数载流子的寿命，并发展了少数载流
2、子扩散长度的理论模型，奠定了硅太阳能电池的基础。70年代，Gatos等人系统地进行了亚带表面光伏的研究，对半导体的表面态进行了研究。90年代，SPV相关技术发展的最活跃，Lagowski等人 用SPV扫描Si片表面，结合扫描探针技术的尖得到SPV测量，较大的改善了分辨率。,Surface Photovoltage phenomena:Theory,experiment and applicationL.Kronik,Y ShapiraSurface Science Reports 254(1999)1-205,SPV检测原理 1.带带跃迁情况 2.亚带隙跃迁情况,SPV检测原理 1.带带跃迁情
3、况 2.亚带隙跃迁情况,图1.具有Schottky势垒的带弯，p型(上图)和n型(下图)半导体与金属形成的势垒接触。,固/固液/固气/固,图 2.n型(左图)和p型(右图)半导体材料在光诱导 下，表面势垒高度(Vs)的变化过程。,图 3.双面接触的n型半导体，一侧保持暗态，另一 侧受光照射，两侧表面势垒高度(Vs)的变化。,h,暗态,SPV检测原理 1.带带跃迁情况 2.亚带隙跃迁情况,亚带隙跃迁的光伏响应,体相杂子能级相关的光伏响应,表面光伏检测方法,表面光电压谱(SPS),瞬态表面光伏检测,表面光电微纳尺度扫描,稳态,动态,表面光伏技术分类,二 表面光伏技术分类,稳态表面光电压谱,Sche
4、matic representation of the experimental set-up for surface photovoltagespectroscopy,表面光电压谱仪,浙江大学科学院北京化学所燕山大学(2)黑龙江大学(2)辽宁师范大学(2)河南大学西南交大上海交大东北师范大学（2）哈尔滨工业大学（2）四川理工学院,表面光伏检测方法,表面光电压谱(SPS),瞬态表面光伏检测,表面光电微区扫描,稳态,动态,表面光伏技术分类,Kelvin探针表面光伏技术（动态）,能够给出接触势垒高度的改变量（表面功函改变）得到表面光电压谱,dc SPV spectrum of ZnO array
5、with illumination on top from 600 nm to 300 nm.Inset:Schematic setup of Kelvin Probed based SPV measurement.,380 nm:weak change of DCPD,表面光伏检测方法,表面光电压谱(SPS),瞬态表面光伏检测,表面光电微区扫描,稳态,动态,表面光伏技术分类,瞬态表面光伏测量,瞬态PV的测试,不同导电类型对测试的影响,p-type,n-type,From:J.Appl.Phys.91,9432(2002),Figure 2.the transient photovoltage
6、 of the heterostructure illuminated from the frontside(the inset of fig.2)with the illuminationIntensity of 7mJ.,Front illumination,Fig.3 the transient photovoltage of the heterostructure at higher illumination intensity of 18mJ and 50mJ.,表面光伏检测方法,表面光电压谱(SPS),瞬态表面光伏检测,表面光电微纳尺度扫描,稳态,动态,表面光伏技术分类,微纳区域表
7、面光电特性研究(远场扫描),KFM模式,n 型半导体 n Si;n-TiO2p 型 偶氮类化合物,The SPS and FISPS of azo pigments A and C,(1)利用场效应原理判别导电类型,C,A,C,A,(n-Si/TiO2)/B,(n-Si/TiO2)/B,e-,e-,(n-Si/TiO2)/B,(n-Si/TiO2)/B,e-,e-,光致电荷转移过程,(a)(b)the surface potential image of n-Si/TiO2/B under illumination,(a)two dimension and(b)three dimension,
8、(n-Si/TiO2)/(B),e,h,表面光电微区扫描,近场扫描,对于稳态表面光伏的影响因素 1样品吸收特性(消光系数、跃迁属性等)2样品内阻 3样品粒径 4调制频率 5环境因素 6外场 7电极 8相位,样品内阻对表 面光伏的影响,样品粒径对表 面光伏的影响,相位影响,在材料科学上的应用 半导体材料导电类型的确定 少数载流子扩散距离的测定 表面态参数的测定 表面光伏气敏特性研究 谱带认证 半导体材料的禁带宽度的测定,半导体材料导电类型的确定,1、光伏响应方向 或相位角,三种方式来确定,The SPS and FISPS of azo pigments A and C,C,A,利用场效应光伏响
9、应,Xie Tengfeng,Wang Dejun.Phys.Chem.B 2000,104,8177-8181,Eg=1/l(nm)1240=1/390 1240=3.18 eV,半导体材料的禁带宽度的测定,l,l,表面光伏测量应用实例：1、太阳能电池研究 2、光电气敏特性研究 3、光催化研究,Zn掺杂TiO2微球的形貌分析,Zn/Ti摩尔比为0.5%时，TiO2微球尺寸接近均一。热处理前后形貌基本一致。,Zn掺杂TiO2微球染料敏化太阳电池应用,1、太阳能电池研究的应用,Zn掺杂TiO2微球的表面光电压谱,不同Zn/Ti摩尔比的TiO2微球的表面光电压谱。插图为表面光电压谱/场诱导表面光电
10、压谱的装置示意图,应该做它的表面光电流！,(a),(b),染料敏化前,染料敏化后,Zn掺杂TiO2微球的瞬态光伏,激发波长 355 nm 激发水平50mJ,激发波长 532 nm 激发水平50mJ,基于Zn掺杂TiO2微球薄膜电极的染料敏化太阳电池的性能测试,不同Zn掺杂量的DSSCs的I-V特性曲线,Voc随Zn含量的增加而增加。Jsc和在Zn/Ti为0.5%时最大。各电池的填充因子较低。尺寸、形貌对电池的影响。,Yu Zhang,Dejun Wang,Tengfeng Xie,Electrochimica Acta，in press,ZnO纳米阵列/CdS异质结构敏化太阳电池性能研究,Zn
11、O/CdS异质结构紫外可见漫反射吸收光谱,可见吸收随CdS的增多而红移，强度逐渐增大,ZnO/CdS异质结构薄膜的的表面光电压谱,光伏响应的阈值和强度随CdS量的不同发生了有规律的变化,Yu Zhang，Tengfeng Xie,Dejun Wang et al.Nanotechnology,2009,20,155707,532 nm 激发激发水平50 mJ/pulse,电池性能随CdS负载量的增加而提升，填充因子有所下降。,量子点敏化太阳电池的I-V特性曲线,光电转换效率很低！,纳米ZnO的表面光伏特性研究,纳米ZnO性质研究ZnO的发光性质的研究（热点研究领域）光生电荷的研究,纳米ZnO性
12、质研究ZnO的发光性质的研究（热点研究领域）光生电荷的研究,光生电荷 产生,分离产生有效的光生电子空穴,复合产生荧光,自建场产生的分离,Dember效应,关于光生电荷性质了解,纳米ZnO,TEM images of the ZnO quantum dots(a)and ZnO nanorods(b),SPS response of ZnO quantum dots under different eletrical fields,电子空穴的量子限域特性,激子直径2.5 nm,（A）（B）Fig 5.FISPS response of ZnO nanorods。（A）Positive field
13、；（B）Negative field,束缚激子态FISPS响应的特征：在能量上一般都发生在带边 随外场强度不对称变化 随外场峰位不对称变化,限域态、自由激子态FISPS响应的特征：光伏强度随外场线性增强 光伏极性随外场极性改变对称变化,自建场对表面光伏和荧光的调控作用,原位,发光光电的关系 光伏,Fig 5.SPV response(a)and PL(b)of ZnO nanoparticles,Em.350 nm,原位,发光光伏的关系 发光,2、表面光电流研究光电气敏,样品,ITO膜,光学玻璃,Min Yang,Dejun Wang;Sensors and Actuators B 117(2
14、006)8085,(a)A Schematic view f the corresponding equilibrium band diagram(the 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),Responserecov
15、ery curves of the sensing film fabricated with copper doped ZnO nanocrystals to different concentrations of(a)ethanol.,Liang Peng,De-Jun Wang，Sensors and Actuators B 131(2008)660664,在545nm光激发下，ZnO/RuN3吸附O2时光电流的变化情况,Bi掺杂TiO2纳米球的制备及光催化研究,3、光催化研究,Bi-TiO2纳米球的漫反射吸收谱,样品的吸收带边均拓展到了620 nm的可见光区掺杂量提高，吸收强度无明显变化,Bi-TiO2纳米球的SPS及Phase结果,Bi-TiO2纳米球的光电性质,有效地提高光生电子-空穴对的分离TiO2禁带内形成了Bi4+/Bi3+杂质能级改变了光生载流子的传输方向,Bi-TiO2紫外及可见光催化降解RhB,最佳掺杂量为0.25%,紫外光,可见光(l 420 nm),四次循环，其活性没有明显的损失，表现出较好的稳定性,0.25%Bi-TiO2样品循环使用测试结果,Haiyan Li，Tengfeng Xie,Dejun Wang,et al.Chem.Eur.J.2009,15,1252112527.,表面化学物理授课结束 谢谢各位同学,
