表面光電壓譜

表面光電壓譜5/7/20231第1頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四表面光伏現(xiàn)象：原理、實驗和應(yīng)用王德軍謝騰峰

吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院

2011年6月5/7/20232第2頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四一．表面光伏原理

二．表面光伏技術(shù)分類

三．表面光伏測量的應(yīng)用

半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型的確定

少數(shù)載流子擴(kuò)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(rèn)證5/7/20233第3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

40－50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(kuò)散長度的理論模型，奠定了硅太陽能電池的基礎(chǔ)。70年代，Gatos等人系統(tǒng)地進(jìn)行了亞帶表面光伏的研究，對半導(dǎo)體的表面態(tài)進(jìn)行了研究。90年代，SPV相關(guān)技術(shù)發(fā)展的最活躍，Lagowski等人用SPV掃描Si片表面，結(jié)合掃描探針技術(shù)的尖得到SPV測量，較大的改善了分辨率。5/7/20234第4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四SurfacePhotovoltagephenomena:Theory,experimentandapplicationL.Kronik,YShapiraSurfaceScienceReports254(1999)1-205

5/7/20235第5頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四SPV檢測原理1.帶－帶躍遷情況2.亞帶隙躍遷情況5/7/20236第6頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四SPV檢測原理

1.帶－帶躍遷情況2.亞帶隙躍遷情況5/7/20237第7頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四圖1.具有Schottky勢壘的帶彎，p－型(上圖)和n－型(下圖)半導(dǎo)體與金屬形成的勢壘接觸。固/固液/固氣/固5/7/20238第8頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四圖2.n－型(左圖)和p－型(右圖)半導(dǎo)體材料在光誘導(dǎo)下，表面勢壘高度(Vs)的變化過程。5/7/20239第9頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四圖3.雙面接觸的n型半導(dǎo)體，一側(cè)保持暗態(tài)，另一側(cè)受光照射，兩側(cè)表面勢壘高度(Vs)的變化。h暗態(tài)5/7/202310第10頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四SPV檢測原理

1.帶－帶躍遷情況2.亞帶隙躍遷情況5/7/202311第11頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四亞帶隙躍遷的光伏響應(yīng)5/7/202312第12頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四體相雜子能級相關(guān)的光伏響應(yīng)5/7/202313第13頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

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(shù)分類二．表面光伏技術(shù)分類5/7/202314第14頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四穩(wěn)態(tài)表面光電壓譜Schematicrepresentationoftheexperimentalset-upforsurfacephotovoltagespectroscopy5/7/202315第15頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四表面光電壓譜儀浙江大學(xué)科學(xué)院北京化學(xué)所燕山大學(xué)(2)黑龍江大學(xué)(2)遼寧師范大學(xué)(2)河南大學(xué)西南交大上海交大東北師范大學(xué)（2）哈爾濱工業(yè)大學(xué)（2）四川理工學(xué)院5/7/202316第16頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

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(shù)分類5/7/202317第17頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Kelvin探針表面光伏技術(shù)（動態(tài)）5/7/202318第18頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四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5/7/202319第19頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四dcSPVspectrumofZnOarraywithilluminationontopfrom600nmto300nm.Inset:SchematicsetupofKelvinProbedbasedSPVmeasurement.

380nm:weakchangeofDCPD5/7/202320第20頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

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(shù)分類5/7/202321第21頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四瞬態(tài)表面光伏測量5/7/202322第22頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四瞬態(tài)PV的測試不同導(dǎo)電類型對測試的影響p-typen-typeFrom:J.Appl.Phys.91,9432(2002)5/7/202323第23頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Figure2.thetransientphotovoltageoftheheterostructureilluminatedfromthefrontside(theinsetoffig.2)withtheilluminationIntensityof7mJ.Frontillumination5/7/202324第24頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Fig.3thetransientphotovoltageoftheheterostructureathigherilluminationintensityof18mJand50mJ.

5/7/202325第25頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

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(shù)分類5/7/202326第26頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四微納區(qū)域表面光電特性研究(遠(yuǎn)場掃描)KFM模式5/7/202327第27頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四n–型半導(dǎo)體n–Si;n-TiO2p–型偶氮類化合物5/7/202328第28頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四TheSPSandFISPSofazopigmentsAandC(1)利用場效應(yīng)原理判別導(dǎo)電類型CACA5/7/202329第29頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四(n-Si/TiO2)/B(n-Si/TiO2)/Be-e-5/7/202330第30頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四5/7/202331第31頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四(n-Si/TiO2)/B’(n-Si/TiO2)/B’e-e-光致電荷轉(zhuǎn)移過程5/7/202332第32頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四(a)(b)thesurfacepotentialimageofn-Si/TiO2/B'underillumination,(a)twodimensionand(b)threedimension(n-Si/TiO2)/(B)eh5/7/202333第33頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四表面光電微區(qū)掃描近場掃描5/7/202334第34頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四對于穩(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5/7/202335第35頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

樣品內(nèi)阻對表面光伏的影響5/7/202336第36頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

樣品粒徑對表面光伏的影響5/7/202337第37頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四相位影響5/7/202338第38頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四在材料科學(xué)上的應(yīng)用

半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型的確定

少數(shù)載流子擴(kuò)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(rèn)證半導(dǎo)體材料的禁帶寬度的測定5/7/202339第39頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型的確定1、光伏響應(yīng)方向或相位角三種方式來確定5/7/202340第40頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四TheSPSandFISPSofazopigmentsAandCCA

利用場效應(yīng)光伏響應(yīng)XieTengfeng,WangDejun.Phys.Chem.B2000,104,8177-81815/7/202341第41頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Eg=1/l

(nm)×1240=1/390×1240=3.18eV半導(dǎo)體材料的禁帶寬度的測定ll5/7/202342第42頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四表面光伏測量應(yīng)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5/7/202343第43頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Zn摻雜TiO2微球的形貌分析0%ZnSEM0.25%ZnSEM0.5%ZnSEM1%ZnSEM0.5%ZnFESEM0.5%Zn450℃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(yīng)用

1、太陽能電池研究的應(yīng)用5/7/202344第44頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Zn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(dǎo)表面光電壓譜的裝置示意圖應(yīng)該做它的表面光電流?。?/7/202345第45頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四(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355nm激發(fā)水平50mJ激發(fā)波長532nm激發(fā)水平50mJ5/7/202346第46頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四基于Zn摻雜TiO2微球薄膜電極的染料敏化太陽電池的性能測試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。YuZhang,DejunWang,TengfengXie,ElectrochimicaActa，inpress,5/7/202347第47頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四ZnO納米陣列/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)敏化太陽電池性能研究ZnO/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)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5/7/202348第48頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四ZnO/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的的表面光電壓譜

光伏響應(yīng)的閾值和強度隨CdS量的不同發(fā)生了有規(guī)律的變化5/7/202349第49頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四YuZhang，TengfengXie,DejunWangetal.Nanotechnology,2009,20,155707532nm激發(fā)激發(fā)水平50mJ/pulse5/7/202350第50頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四電池性能隨CdS負(fù)載量的增加而提升，填充因子有所下降。量子點敏化太陽電池的I-V特性曲線光電轉(zhuǎn)換效率很低！5/7/202351第51頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

納米ZnO的表面光伏特性研究

5/7/202352第52頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四納米ZnO性質(zhì)研究ZnO的發(fā)光性質(zhì)的研究（熱點研究領(lǐng)域）光生電荷的研究

5/7/202353第53頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四納米ZnO性質(zhì)研究ZnO的發(fā)光性質(zhì)的研究（熱點研究領(lǐng)域）光生電荷的研究

5/7/202354第54頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四光生電荷產(chǎn)生分離產(chǎn)生有效的光生電子－空穴復(fù)合產(chǎn)生熒光自建場產(chǎn)生的分離Dember效應(yīng)關(guān)于光生電荷性質(zhì)了解納米ZnO5/7/202355第55頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四TEMimagesoftheZnOquantumdots(a)andZnOnanorods(b)5/7/202356第56頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

SPSresponseofZnOquantumdotsunderdifferenteletricalfields電子－空穴的量子限域特性激子直徑2.5nm5/7/202357第57頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四（A）（B）Fig5.FISPSresponseofZnOnanorods。（A）Positivefield；（B）Negativefield5/7/202358第58頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四束縛激子態(tài)FISPS響應(yīng)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(yīng)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5/7/202359第59頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四自建場對表面光伏和熒光的調(diào)控作用原位發(fā)光－光電的關(guān)系光伏5/7/202360第60頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Fig5.SPVresponse(a)andPL(b)ofZnOnanoparticlesEm.350nm

原位發(fā)光－光伏的關(guān)系發(fā)光5/7/202361第61頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四2、表面光電流研究－光電氣敏5/7/202362第62頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四樣品ITO膜光學(xué)玻璃5/7/202363第63頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四MinYang,DejunWang;SensorsandActuatorsB117(2006)80–855/7/202364第64頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四

(a)ASchematicviewfthecorrespondingequilibriumbanddiagram(－theaveragegrain-boundarypotentialbarrier).(b)theschematicdiagramofenergybandmodesofdye-sensitizedZnOandtheprocessofphoto-inducechargetransferringfromAzopigmenttoZnOnanoparticles.(a)(b)5/7/202365第65頁，共73頁，2023年，2月20日，星期四Response–recoverycurvesofthesensingfilmfabricatedwithcopperdopedZnOnanoc