材料的光电特性

材料的光电特性第1页，课件共22页，创作于2023年2月光电效应历史

光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的。当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。大约1900年，马克思•布兰科（MaxPlanck）对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。他给这一理论归咎成一个等式，也就是E=hf，E就是光所具有的“包裹式”能量，h是一个常数，统称布兰科常数（Planck'sconstant），而f就是光源的频率。也就是说，光能的强弱是有其频率而决定的。但就是布兰科自己对于光线是包裹式的说法也不太肯定。1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释；1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。他进一步推广了布兰科的理论，并导出公式，Ek=hf-W，W便是所需将电子从金属表面上自由化的能量。而Ek呢就是电子自由后具有的势能。第2页，课件共22页，创作于2023年2月光电效应光电效应是指在光照照射后释放电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光电效应是光与材料的核外电子之间的相互作用。只有当入射光的频率高于材料的极限频率时，材料才会发射光电子，产生光电子。光电效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻产生光电子。第3页，课件共22页，创作于2023年2月爱因施坦的光电效应方程爱因斯坦认为：从一点发出的光是以频率为v，以hv为能量单位的形式一份一份的向外辐射。光电效应则是具有能量为hv的一个光子作用于金属中的一个自由电子，并把它的全部能量传递给这个电子造成的。设电子逃离金属表面耗费的能量为W0，则，

E=hv-W0h为普朗克常数，它的公认值是h=6.626x10^-34j.s第4页，课件共22页，创作于2023年2月光电效应原理图第5页，课件共22页，创作于2023年2月光电材料光电材料是指用于制造各种光电设备（主要包括各种主、被动光电传感器光信息处理和存储装置及光通信等）的材料，主要包括红外材料、激光材料、光纤材料、光电显示材料、非线性光学材料等。第6页，课件共22页，创作于2023年2月太阳能电池太阳能电池是将光能转化为电能的半导体装置。太阳能的核心—pn结是将很薄的n型层（称为发射极）配置在入射光的外侧而将主要产生光电流的p层（称为基极）配置在内侧的Pn结二极管。太阳能电池产生光生电动势的一个基本条件是；产生光电流的载流子浓度增加，半导体的电导率增加。第7页，课件共22页，创作于2023年2月太阳光辐射主要是以可见光为中心，分布于0.3微米至几微米光谱范围，对应光子能量0.4eV~4eV之间，总体来说，理想太阳能电池材料需要具备：能带在1.1eV~1.7eV之间(对应光波长范围0.73~1.13μm)直接能带半导体组成材料无毒性可利用薄膜沉积技术且可大面积制备有良好的光电转换效率具有长期稳定性第8页，课件共22页，创作于2023年2月硅太阳能电池第9页，课件共22页，创作于2023年2月太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的太阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。第10页，课件共22页，创作于2023年2月硅太阳能电池当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子汇扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个有N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。下面就是这样的电源图。第11页，课件共22页，创作于2023年2月GaAs太阳能电池第12页，课件共22页，创作于2023年2月GaAs是典型的III-V族化合物半导体材料，具有直接能带隙，带隙宽度为1.42eV（300K），可以良好的吸收太阳光，因此，是很理想的太阳能电池材料。第13页，课件共22页，创作于2023年2月单结也只能吸收和转换特定波长范围内的太阳光，其理论效率也只有27%，为提高能量转换效率，可以将太阳光光谱分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按带隙的不同从大到小的顺序从上到下叠合起来，选择性吸收和转换太阳光光谱的不同子区域，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池。第14页，课件共22页，创作于2023年2月第15页，课件共22页，创作于2023年2月光电显示材料发光显示材料：利用光发射直接进行显示。受光显示材料：利用电场作用下材料光学性能的变化实现显示，通过反射、散射、干涉等现象，对其它光源所发出的入射光进行控制，即通过光交换进行显示。第16页，课件共22页，创作于2023年2月第17页，课件共22页，创作于2023年2月显示器件的主要特征亮度发光效率对比度分辨率灰度响应时间，余晖时间寿命和稳定性色彩视角工作电压和功耗第18页，课件共22页，创作于2023年2月1亮度：指显示器件的发光强度。它是指垂直于光束传播方向单位面积上的发光强度，单位为cd/m2。发光式显示器件和受光式液晶显示器件均采用亮度参数。但受光式、反射式显示器件以反射光的强度表示明亮度。2发光效率：指显示器件辐射出的单位能量(W)所发出的光通量，单位为lm/W。一般器件0.1～1.5lm/W，真空荧光显示1～10lm/W。3对比度：表示显示部分的亮度和非显示部分的亮度之比。在室内照明条件下对比度达到5：1，基本上满足显示要求。4分辨率：包括像元密度和器件包含的像元总数。CRT分辨率达到100～110ppi(每英寸像元数)时，再提高有难度，因受电子束聚焦有限性和发光粉颗粒及发光效率等因素的影响。LCD分辨率已达到300ppi，还有潜力再提高。5灰度：表示屏上亮度的等级。以亮度的倍的发光强度的变化划分等级。灰度越高，图像层次越分明，彩色显示中颜色更丰富，图像更柔和。6响应时间、余辉时间：响应时间表示从施加电压到显示图像所需要的时间。切断电压后到图像消失所需要的时间称为余辉时间。发光器件和铁电液晶响应时间一般为微秒量级。视频图像显示要求响应时间和余辉时间加起来小于50ms才能满足帧频的要求。第19页，课件共22页，创作于2023年2月7寿命和稳定性：发光显示器件初发始亮度衰减一半所需时间称为半寿命，一般即指寿命。受光显示器件的主要显示指标保持正常的时间为使用寿命。同时湿度、温度、紫外光等环境状态和稳定性是很重要的参数。8色彩：显示颜色分为黑白、单色、多色、全色。显示颜色是衡量显示器件性能优劣的重要参数。发光显示以红光、绿光、蓝光三基色加法混色得到CIE色度图舌形曲线上任意颜色。复合光光谱丰富程度取决于三基色发光光谱纯度和饱和度以及三基色发光像元的灰度级别。CRT、LCD及PDP已可显示几百万种颜色，达到全色显示要求。液晶显示色彩靠背照明冷阴极灯白光和三基色滤光膜相匹配得到CIE色度图舌形曲线饱和区，实现了全色显示。9视角：在受光式被动显示中，观察角度不同，对比度不同。在液晶显示中视角问题特别突出。由于液晶分子具有光学各向异性液晶分子长轴和短轴方向光吸收不同，因而引起对比度不同，但采用多种办法已解决了这个问题。在发光式主动显示中几乎不存在视角问题，因为像元就是光辐射源，光空间分布是均匀的，视角大又均匀。10工作电压和功耗：驱动显示器件所施加的电压为工作电压。工作电压与器件消耗电流的乘积为功耗。要求工作电压低、功耗少，并容易与集成电路匹配。第20页，课件共22页，创作于2023年2月CRTLCDPDPFEDELDLED△△◎◎△○◎◎◎◎◎△○◎○◎◎◎◎×◎◎◎◎◎○◎○◎○△○◎○○△△△◎△○△△△◎○○○◎参数器件大屏幕全色视角空间分辨率对比度功耗工作电压各种光电显