表面光电压谱

2020/5/71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2020/5/72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2019年6月2020/5/73一．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2020/5/7440－50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。2020/5/75SurfacePhotovoltagephenomena:Theory,experimentandapplicationL.Kronik,YShapiraSurfaceScienceReports254(2019)1-2052020/5/76SPV检测原理1.带－带跃迁情况2.亚带隙跃迁情况2020/5/77SPV检测原理1.带－带跃迁情况2.亚带隙跃迁情况2020/5/78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2020/5/79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。2020/5/710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2020/5/711SPV检测原理1.带－带跃迁情况2.亚带隙跃迁情况2020/5/712亚带隙跃迁的光伏响应2020/5/713体相杂子能级相关的光伏响应2020/5/714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2020/5/715稳态表面光电压谱Schematicrepresentationoftheexperimentalset-upforsurfacephotovoltagespectroscopy2020/5/716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2020/5/717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2020/5/718Kelvin探针表面光伏技术（动态）2020/5/719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2020/5/720dcSPVspectrumofZnOarraywithilluminationontopfrom600nmto300nm.Inset:SchematicsetupofKelvinProbedbasedSPVmeasurement.300350400450500550600-50050100150200250300CPD(mV)Wavelength(nm)(a)380nm:weakchangeofCPD2020/5/721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2020/5/722瞬态表面光伏测量2020/5/723瞬态PV的测试不同导电类型对测试的影响p-typen-typeFrom:J.Appl.Phys.91,9432(2019)2020/5/724Figure2.thetransientphotovoltageoftheheterostructureilluminatedfromthefrontside(theinsetoffig.2)withtheilluminationIntensityof7mJ.Frontillumination2020/5/725Fig.3thetransientphotovoltageoftheheterostructureathigherilluminationintensityof18mJand50mJ.2020/5/726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2020/5/727微纳区域表面光电特性研究(远场扫描)KFM模式2020/5/728n–型半导体n–Si;n-TiO2p–型偶氮类化合物2020/5/729TheSPSandFISPSofazopigmentsAandC(1)利用场效应原理判别导电类型NNNNHOOHNNNNHOOHCNHHNCOOO2NNO2CACA2020/5/730(n-Si/TiO2)/B(n-Si/TiO2)/Be-e-2020/5/7312020/5/732(n-Si/TiO2)/B’(n-Si/TiO2)/B’e-e-光致电荷转移过程2020/5/733(a)(b)thesurfacepotentialimageofn-Si/TiO2/B'underillumination,(a)twodimensionand(b)threedimension(n-Si/TiO2)/(B)eh2020/5/734表面光电微区扫描近场扫描2020/5/735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2020/5/736样品内阻对表面光伏的影响2020/5/737样品粒径对表面光伏的影响2020/5/738相位影响2020/5/739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2020/5/740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2020/5/741TheSPSandFISPSofazopigmentsAandCNNNNHOOHNNNNHOOHCNHHNCOOO2NNO2CA利用场效应光伏响应XieTengfeng,WangDejun.Phys.Chem.B2000,104,8177-81812020/5/742Eg=1/l(nm)×1240=1/390×1240=3.18eV半导体材料的禁带宽度的测定ll2020/5/743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2020/5/744Zn掺杂TiO2微球的形貌分析0%ZnSEM0.25%ZnSEM0.5%ZnSEM1%ZnSEM0.5%ZnFESEM0.5%Zn450℃FESEMZn/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2020/5/745Zn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/场诱导表面光电压谱的装置示意图应该做它的表面光电流！！2020/5/746(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355nm激发水平50mJ激发波长532nm激发水平50mJ2020/5/747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0.00.10.20.30.40.50.60.7024681012140%0.25%0.5%1%CurrentDensity(mA/cm2)Voltage(V)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。YuZhang,DejunWang,TengfengXie,ElectrochimicaActa，inpress,2020/5/748ZnO纳米阵列/CdS异质结构敏化太阳电池性能研究ZnO/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2020/5/749ZnO/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2020/5/750YuZhang，TengfengXie,DejunWangetal.Nanotechnology,2009,20,155707532nm激发激发水平50mJ/pulse2020/5/751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！2020/5/752纳米ZnO的表面光伏特性研究2020/5/753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2020/5/754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2020/5/755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ZnO2020/5/756TEMimagesoftheZnOquantumdots(a)andZnOnanorods(b)2020/5/757300350400450500-200-1000100200300Photovoltage(mV)Wavelength/nm+1.05V+0.8V+0.6V0V-0.6V-0.8V-1.05VSPSresponseofZnOquantumdotsunderdifferenteletricalfields电子－空穴的量子限域特性激子直径2.5nm2020/5/758250300350400450500020406080100120140250300350400450500020406080100120140Photovoltage(mV)Wavelength/nm+1.0V+0.8V+0.6V+0.4V+0.2V0V300350400450500-4-3-2-101Photovoltage(mV)Wavelength/nm0V-0.2V-0.4V-0.6V-0.8V-1.05V（A）（B）Fig5.FISPSresponseofZnOnanorods。（A）Positivefield；（B）Negativefield2020/5/759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300350400450500-200-1000100200300Photovoltage(mV)Wavelength/nm+1.05V+0.8V+0.6V0V-0.6V-0.8V-1.05V300350400450500-4-3-2-101Photovoltage(mV)Wavelength/nm0V-0.2V-0.4V-0.6V-0.8V-1.05V2020/5/76030035040045050055002004006008001000Photovoltage(mV)Wavelength(nm)inatmospher