《表面光电压谱》ppt课件

1、思索题：思索题：1、阐明外表光电压谱丈量原理；并列举两种外表、阐明外表光电压谱丈量原理；并列举两种外表 光伏丈量方法光伏丈量方法2、利用外表光电压谱方法丈量资料的禁带宽度、利用外表光电压谱方法丈量资料的禁带宽度3、阐明染料敏化光电气敏的检测原理、阐明染料敏化光电气敏的检测原理外表光伏景象：外表光伏景象：原理、实验和运用原理、实验和运用王德军王德军 谢腾峰谢腾峰 吉林大学化学学院吉林大学化学学院 2021 年年 6 月月 一外表光伏原理一外表光伏原理 二二 外表光伏技术分类外表光伏技术分类 三外表光伏丈量的运用三外表光伏丈量的运用 半导体资料导电类型确实定半导体资料导电类型确实定 少数载流子分散

2、间隔的测定少数载流子分散间隔的测定 外表态参数的测定外表态参数的测定 纳米尺度外表光伏特性研讨纳米尺度外表光伏特性研讨 外表光伏气敏特性研讨外表光伏气敏特性研讨 谱带认证谱带认证 4050年代， Brattain和Bardeen诺贝尔讲演揭开了外表光伏研讨的序幕 60年代，Johnson和 Goodman等人利用SPV方法丈量了少数载流子的寿命，并开展了少数载流子分散长度的实际模型，奠定了硅太阳能电池的根底。 70年代，Gatos等人系统地进展了亚带外表光伏的研讨，对半导体的外表态进展了研讨。 90年代，SPV相关技术开展的最活泼，Lagowski等人 用SPV扫描Si片外表，结合扫描探针技术

3、的尖得到SPV丈量，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 SPVSPV检测原理检测原理 1. 1. 带带跃迁情况带带跃迁情况 2. 2. 亚带隙跃迁情况亚带隙跃迁情况SPVSPV检测原理检测原理 1. 1. 带带跃迁情况带带跃迁情况 2. 2. 亚带隙跃迁情况亚带隙跃迁情况固固/ /固固液液/ /固固气气/ /固固图图 2. n型型(左图左图)和和p型型(右图右图)半导

4、体资料在光诱导半导体资料在光诱导 下，下， 外表势垒高度外表势垒高度(Vs)的变化过程。的变化过程。图图 3. 双面接触的双面接触的n型半导体，一侧坚持暗态，另一型半导体，一侧坚持暗态，另一 侧受光照射，两侧外表势垒高度侧受光照射，两侧外表势垒高度(Vs)的变化。的变化。h 暗态暗态SPV检测原理检测原理 1. 带带跃迁情况带带跃迁情况 2. 亚带隙跃迁情况亚带隙跃迁情况亚带隙跃迁的光伏呼应亚带隙跃迁的光伏呼应体相杂子能级相关的光伏呼应体相杂子能级相关的光伏呼应 外表光伏检测方法外表光伏检测方法 外表光电外表光电压谱压谱(SPS)瞬态外表瞬态外表光伏检测光伏检测外表光电外表光电微纳尺度扫描微纳

5、尺度扫描稳稳态态动动态态外表光伏技术分类外表光伏技术分类二二 外表光伏技术分类外表光伏技术分类稳态外表光电压谱稳态外表光电压谱Schematic representation of the experimental set-up for surface photovoltagespectroscopy外表光电压谱仪外表光电压谱仪浙江大学浙江大学科学院北京化学所科学院北京化学所燕山大学燕山大学(2)黑龙江大学黑龙江大学(2)辽宁师范大学辽宁师范大学(2)河南大学河南大学西南交大西南交大上海交大上海交大东北师范大学东北师范大学2哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2四川理工学院四川理工学院 外表光伏检测方

6、法外表光伏检测方法 外表光电外表光电压谱压谱(SPS)(SPS)瞬态外表瞬态外表光伏检测光伏检测外表光电外表光电微区扫描微区扫描稳稳态态动动态态外表光伏技术分类外表光伏技术分类Kelvin探针外表光伏技术动态探针外表光伏技术动态可以给出接触势垒高度的改动量外表功函改动可以给出接触势垒高度的改动量外表功函改动得到外表光电压谱得到外表光电压谱dc SPV spectrum of ZnO array with illumination on top from 600 nm to 300 nm. Inset: Schematic setup of Kelvin Probed based SPV mea

7、surement. 300350400450500550600-50050100150200250300 CPD (mV)Wavelength (nm)(a)380 nm: weak change of DCPD 外表光伏检测方法外表光伏检测方法 外表光电外表光电压谱压谱(SPS)瞬态外表瞬态外表光伏检测光伏检测外表光电外表光电微区扫描微区扫描稳稳态态动动态态外表光伏技术分类外表光伏技术分类瞬态外表光伏丈量瞬态外表光伏丈量瞬态瞬态PVPV的测试的测试不同导电类型对测试的影响不同导电类型对测试的影响p-typen-typeFrom:J. Appl. Phys. 91, 9432 (2002)Fi

8、gure 2. the transient photovoltage of the heterostructure illuminated from the frontside ( the inset of fig.2) with the illuminationIntensity of 7mJ.Front illuminationFig. 3 the transient photovoltage of the heterostructure at higher illumination intensity of 18mJ and 50mJ. 外表光伏检测方法外表光伏检测方法 外表光电外表光电

9、压谱压谱(SPS)瞬态外表瞬态外表光伏检测光伏检测外表光电外表光电微纳尺度扫描微纳尺度扫描稳稳态态动动态态外表光伏技术分类外表光伏技术分类微纳区域外表光电特性研讨微纳区域外表光电特性研讨 (远场扫描远场扫描)KFM方式方式n 型半导体型半导体 n Si; n-TiO2p 型型 偶氮类化合物偶氮类化合物The SPS and FISPS of azo pigments A and C(1) 利用场效应原理判别导电类型利用场效应原理判别导电类型NNNNHOOHNNNNHOOHCNHHNCOOO2NNO2CACA(n-Si/TiO2)/B(n-Si/TiO2)/Be-e-(n-Si/TiO2)/B(

10、n-Si/TiO2)/Be-e-光致电荷转移过程光致电荷转移过程(a) (b)the surface potential image of n-Si/TiO2/B under illumination, (a) two dimension and (b) three dimension(n-Si/TiO2)/(B)eh外表光电微区扫描外表光电微区扫描近场扫描近场扫描对于稳态外表光伏的影响要素对于稳态外表光伏的影响要素 1 1样品吸收特性样品吸收特性( (消光系数、跃迁属性等消光系数、跃迁属性等) ) 2 2样品内阻样品内阻 3 3样品粒径样品粒径 4 4调制频率调制频率 5 5环境要素环境要素

11、 6 6外场外场 7 7电极电极 8 8相位相位 样品内阻对表 面光伏的影响 样品粒径对表 面光伏的影响 相位影响相位影响在资料科学上的运用在资料科学上的运用 半导体资料导电类型确实定半导体资料导电类型确实定 少数载流子分散间隔的测定少数载流子分散间隔的测定 外表态参数的测定外表态参数的测定 外表光伏气敏特性研讨外表光伏气敏特性研讨 谱带认证谱带认证 半导体资料的禁带宽度的测定半导体资料的禁带宽度的测定 半导体资料导电类型确实定半导体资料导电类型确实定1、光伏呼应方向、光伏呼应方向 或相位角或相位角三种方式来确定三种方式来确定The SPS and FISPS of azo pigments

12、A and CNNNNHOOHNNNNHOOHCNHHNCOOO2NNO2CA 利用场效应光伏呼应利用场效应光伏呼应Xie Tengfeng, Wang Dejun. Phys. Chem. B 2000, 104, 8177-8181Eg = 1/l (nm) 1240 = 1/390 1240 = 3.18 eV半导体资料的禁带宽度的测定半导体资料的禁带宽度的测定l l外表光伏丈量运用实例：外表光伏丈量运用实例： 1、太阳能电池研讨、太阳能电池研讨 2、光电气敏特性研讨、光电气敏特性研讨 3、光催化研讨、光催化研讨ZnZn掺杂掺杂TiO2TiO2微球的形貌分析微球的形貌分析0% Zn SE

13、M0.25% Zn SEM0.5% Zn SEM1% Zn SEM0.5% Zn FESEM0.5% Zn 450 FESEMZn/TiZn/Ti摩尔比为摩尔比为0.5%0.5%时，时，TiO2TiO2微球尺寸接近均一。微球尺寸接近均一。热处置前后形貌根本一致。热处置前后形貌根本一致。ZnZn掺杂掺杂TiO2TiO2微球染料敏化太阳电池运用微球染料敏化太阳电池运用 1、太阳能电池研讨的运用、太阳能电池研讨的运用ZnZn掺杂掺杂TiO2TiO2微球的外表光电压谱微球的外表光电压谱不同不同Zn/TiZn/Ti摩尔比的摩尔比的TiO2TiO2微球的外表光电压谱。微球的外表光电压谱。插图为外表光电压谱

14、插图为外表光电压谱/ /场诱导外表光电压谱的安装表示图场诱导外表光电压谱的安装表示图应该做它的外应该做它的外表光电流！表光电流！(a)(b)染料敏化前染料敏化前染料敏化后染料敏化后ZnZn掺杂掺杂TiO2TiO2微球的瞬态光伏微球的瞬态光伏激发波长激发波长 355 nm 355 nm 激发程度激发程度50mJ50mJ激发波长激发波长 532 nm 532 nm 激发程度激发程度50mJ50mJ基于基于ZnZn掺杂掺杂TiO2TiO2微球薄膜电极微球薄膜电极的染料敏化太阳电池的性能测试的染料敏化太阳电池的性能测试0.00.10.20.30.40.50.60.702468101214 0% 0.2

15、5% 0.5% 1% Current Density (mA/cm2)Voltage (V)0.5% Zn-TiO20.7314.580.444.6348.69不同不同ZnZn掺杂量的掺杂量的DSSCsDSSCs的的I-VI-V特性曲线特性曲线VocVoc随随ZnZn含量的添加而添加。含量的添加而添加。JscJsc和和在在Zn/TiZn/Ti为为0.5%0.5%时最大。时最大。各电池的填充因子较低。各电池的填充因子较低。尺寸、形貌对电池的影响。尺寸、形貌对电池的影响。Yu Zhang, Dejun Wang, Tengfeng Xie, Electrochimica Acta， in pres

16、s, ZnO纳米阵列纳米阵列/CdS异质构造敏化太阳电池性能研讨异质构造敏化太阳电池性能研讨ZnO/CdS异质构造异质构造紫外可见漫反射吸收光谱紫外可见漫反射吸收光谱可见吸收随可见吸收随CdS的增多而红移，的增多而红移，强度逐渐增大强度逐渐增大ZnO/CdS异质构造薄膜的的外表光电压谱异质构造薄膜的的外表光电压谱 光伏呼应的阈值和强度随光伏呼应的阈值和强度随CdS量的不同发生了有规律的变化量的不同发生了有规律的变化Yu Zhang，Tengfeng Xie, Dejun Wang et al. Nanotechnology, 2021, 20, 155707532 nm 激发激发激发程度激发程

17、度50 mJ/pulse电池性能随电池性能随CdS负载量的添加而提升，填充因子有所下降。负载量的添加而提升，填充因子有所下降。量子点敏化太阳电池的量子点敏化太阳电池的I-VI-V特性曲线特性曲线光电转换效率很低！光电转换效率很低！ 纳米ZnO的外表光伏特性研讨 纳米纳米ZnO性质研讨性质研讨ZnO的发光性质的研讨热点研讨领的发光性质的研讨热点研讨领域域光生电荷的研讨光生电荷的研讨 纳米纳米ZnO性质研讨性质研讨ZnO的发光性质的研讨热点研讨领的发光性质的研讨热点研讨领域域光生电荷的研讨光生电荷的研讨 光生电荷光生电荷 产生产生分别产生有效的分别产生有效的光生电子空穴光生电子空穴复合复合产生荧光

18、产生荧光自建场产自建场产生的分别生的分别Dember效应效应关于光生电荷性质了解关于光生电荷性质了解纳米纳米ZnOTEM images of the ZnO quantum dots (a) and ZnO nanorods (b) 300350400450500-200-1000100200300 Photovoltage (V)Wavelength / nm +1.05V +0.8V +0.6V 0V-0.6V-0.8V-1.05V SPS response of ZnO quantum dots under different eletrical fields电子空穴的电子空穴的量子限域

19、特性量子限域特性激子直径激子直径2.5 nm250300350400450500020406080100120140250300350400450500020406080100120140 Photovoltage (m V)Wavelength /nm +1.0V +0.8V +0.6V +0.4V +0.2V 0V 300350400450500-4-3-2-101Photovoltage (m V)Wavelength /nm 0V -0.2V -0.4V -0.6V -0.8V -1.05V A B Fig 5. FISPS response of ZnO nanorods。APosi

20、tive field ； B Negative field束缚激子态束缚激子态FISPS呼应的特征：呼应的特征： 在能量上普通都发生在带边在能量上普通都发生在带边 随外场强度不对称变化随外场强度不对称变化 随外场峰位不对称变化随外场峰位不对称变化限域态、自在激子态限域态、自在激子态FISPS呼应的特征：呼应的特征： 光伏强度随外场线性加强光伏强度随外场线性加强 光伏极性随外场极性改动对称变化光伏极性随外场极性改动对称变化300350400450500-200-1000100200300 Photovoltage (V)Wavelength / nm +1.05V +0.8V +0.6V 0V-

21、0.6V-0.8V-1.05V300350400450500-4-3-2-101Photovoltage (m V)Wavelength /nm 0V -0.2V -0.4V -0.6V -0.8V -1.05V 30035040045050055002004006008001000 Photovoltage( V)Wavelength(nm)in atmospherein vacuum自建场对外表光伏自建场对外表光伏和荧光的调控作用和荧光的调控作用原位原位发光光电的关系发光光电的关系 光伏光伏4004505005506006500200004000060000 Intensity(a.u.)

22、Wavelength(nm)in atmospherein vacuumFig 5. SPV response (a) and PL (b) of ZnO nanoparticlesEm. 350 nm 原位原位发光光伏的关系发光光伏的关系 发光发光2、外表光电流研讨光电气敏、外表光电流研讨光电气敏样品样品ITO膜膜光学光学玻璃玻璃Min Yang, Dejun Wang;Sensors and Actuators B 117 (2006) 8085 (a) A Schematic view f the corresponding equilibrium band diagram (the a

23、verage 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)Responserecovery curves of the sensing film fabricated with copper doped ZnO nanocrystals to different concentrations of (a) ethanol.Liang Peng, De-Jun W