《表面光电压谱》PPT课件.ppt

2023/8/1,1,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,2023/8/1,2,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,2023/8/1,3,一表面光伏原理 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,2023/8/1,4,4050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。,2023/8/1,5,Surface Photovoltage phenomena:Theory,experiment and applicationL.Kronik,Y ShapiraSurface Science Reports 254(1999)1-205,2023/8/1,6,SPV检测原理 1.带带跃迁情况 2.亚带隙跃迁情况,2023/8/1,7,SPV检测原理 1.带带跃迁情况 2.亚带隙跃迁情况,2023/8/1,8,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,2023/8/1,9,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。,2023/8/1,10,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,2023/8/1,11,SPV检测原理 1.带带跃迁情况 2.亚带隙跃迁情况,2023/8/1,12,亚带隙跃迁的光伏响应,2023/8/1,13,体相杂子能级相关的光伏响应,2023/8/1,14,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,2023/8/1,15,稳态表面光电压谱,Schematic representation of the experimental set-up for surface photovoltagespectroscopy,2023/8/1,16,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,2023/8/1,17,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,2023/8/1,18,Kelvin探针表面光伏技术（动态）,2023/8/1,19,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,2023/8/1,20,dc 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 DCPD,2023/8/1,21,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,2023/8/1,22,瞬态表面光伏测量,2023/8/1,23,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),2023/8/1,24,Figure 2.the transient photovoltage of the heterostructure illuminated from the frontside(the inset of fig.2)with the illuminationIntensity of 7mJ.,Front illumination,2023/8/1,25,Fig.3 the transient photovoltage of the heterostructure at higher illumination intensity of 18mJ and 50mJ.,2023/8/1,26,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,2023/8/1,27,微纳区域表面光电特性研究(远场扫描),KFM模式,2023/8/1,28,n 型半导体 n Si;n-TiO2p 型 偶氮类化合物,2023/8/1,29,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,2023/8/1,30,(n-Si/TiO2)/B,(n-Si/TiO2)/B,e-,e-,2023/8/1,31,2023/8/1,32,(n-Si/TiO2)/B,(n-Si/TiO2)/B,e-,e-,光致电荷转移过程,2023/8/1,33,(a)(b)the surface potential image of n-Si/TiO2/B under illumination,(a)two dimension and(b)three dimension,(n-Si/TiO2)/(B),e,h,2023/8/1,34,表面光电微区扫描,近场扫描,2023/8/1,35,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,2023/8/1,36,样品内阻对表 面光伏的影响,2023/8/1,37,样品粒径对表 面光伏的影响,2023/8/1,38,相位影响,2023/8/1,39,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,2023/8/1,40,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,2023/8/1,41,The SPS and FISPS of azo pigments A and C,C,A,利用场效应光伏响应,Xie Tengfeng,Wang Dejun.Phys.Chem.B 2000,104,8177-8181,2023/8/1,42,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,2023/8/1,43,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,2023/8/1,44,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,2023/8/1,45,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/场诱导表面光电压谱的装置示意图,应该做它的表面光电流！,2023/8/1,46,(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,2023/8/1,47,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,2023/8/1,48,ZnO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,2023/8/1,49,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,2023/8/1,50,Yu Zhang，Tengfeng Xie,Dejun Wang et al.Nanotechnology,2009,20,155707,532 nm 激发激发水平50 mJ/pulse,2023/8/1,51,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！,2023/8/1,52,纳米ZnO的表面光伏特性研究,2023/8/1,53,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,2023/8/1,54,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,2023/8/1,55,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,2023/8/1,56,TEM images of the ZnO quantum dots(a)and ZnO nanorods(b),2023/8/1,57,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,2023/8/1,58,（A）（B）Fig 5.FISPS response of ZnO nanorods。（A）Positive field；（B）Negative field,2023/8/1,59,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,2023/8/1,60,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,2023/8/1,61,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,2023/8/1,62,2、表面光电流研究光电气敏,2023/8/1,63,样品,ITO膜,光学玻璃,2023/8/1,64,Min Yang,Dejun Wang;Sensors and Actuators B 117(2006)8085,2023/8/1,65,(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),2023/8/1,66,Responserecovery 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)660664,2023/8/1,67,在545nm光激发下，ZnO/RuN3吸附O2时光电流的变化情况,2023/8/1,68,Bi掺杂TiO2纳米球的制备及光催化研究,3、光催化研究,2023/8/1,69,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,2023/8/1,70,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,2023/8/1,71,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),2023/8/1,72,四次循环，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.,2023/8/1,73,表面化学物理授课结束 谢谢各位同学,