表面光电压谱.ppt

1、思考题：,1、说明表面光电压谱检测的基本原理 2、如何利用表面光电压谱方法或表面光电流 方法测量半 导体的禁带宽度（Eg）,04:29,1,04:29,2,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,04:29,3,Surface Photovoltage phenomena: Theory, experiment and application L.Kronik, Y Shapira Surface Science Reports 254(1999)1-205,04:29,4,一表面光伏原理 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

2、流子扩散距离的测定 表面态参数的测定 光生电荷性质研究 光催化应用 太阳能电池 表面光伏气敏特性研究,04:29,5,SPV检测原理 1. 带带跃迁情况 2. 亚带隙跃迁情况,04:29,6,SPV检测原理 1. 带带跃迁情况 2. 亚带隙跃迁情况,04:29,7,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。,04:29,8,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,04:29,9,SPV检测原理 1. 带带跃迁情况 2. 亚带隙跃迁情况,04:29,10,亚带隙跃迁的光伏响应,

3、04:29,11,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,04:29,12,稳态表面光电压谱,Schematic representation of the experimental set-up for surface photovoltagespectroscopy,04:29,13,表面光电压谱仪,浙江大学 北京化学所（2） 燕山大学(2) 黑龙江大学 辽宁师范大学（2） 大连理工大学 河南大学 西南交大 上海交大 东北师范大学（3） 哈尔滨工业大学（2） 四川理工学院 闽江学院 河北

4、科技大学 哈尔滨师范大学 内蒙古大学,内蒙古大学,04:29,15,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,04:29,Kelvin探针表面光伏技术（动态）,04:29,17,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,2005.12007.12 国家基金委项目,04:29,18,dc SPV spectrum of ZnO array with illumination on top from 600 nm to 300 nm. Inset: Schematic setup of Kelvin

5、Probed based SPV measurement.,380 nm: weak change of DCPD,04:29,19,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,04:29,20,瞬态表面光伏测量,1064 nm nm nm 266 nm,2007.12009.12 国家基金委项目,04:29,21,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),04:29,22,Figure 2. the transient

6、photovoltage of the heterostructure illuminated from the front side ( the inset of fig.2) with the illumination Intensity of 7mJ.,Front illumination,04:29,23,Fig. 3 the transient photovoltage of the heterostructure at higher illumination intensity of 18mJ and 50mJ.,04:29,24,表面光伏检测方法,表面光电 压谱(SPS),瞬态表

7、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,04:29,25,4. 表面光电微区扫描 (远场扫描),利用KFM模式,04:29,26,(n-Si/TiO2)/B,(n-Si/TiO2)/B,e-,e-,研究微纳米尺度的表面与界面的电荷行为,04:29,27,(n-Si/TiO2)/B,(n-Si/TiO2)/B,e-,e-,光致电荷转移过程,04:29,28,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,04:29,29,三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

8、子扩散距离的测定 表面态参数的测定 光生电荷性质研究 光催化应用 太阳能电池 表面光伏气敏特性研究 异质界面对光生电荷的调控,光化学与光物理的几个过程,1、光吸收,2、光生电荷分离,4、光生电荷复合,3、光生电 荷扩散,5、光催化 还原反应,5、光催化 氧化反应,在光物理过程研究中必须面对下面几个问题： 1、 什么是光生电荷有序分离的原动力？ 2、光生电荷的扩散长度？ 3、光生电荷扩散的方向？ 4、光生电荷是由能带直接转移给反应物的吗？ 5、表面态如何影响光生电荷的转移过程。,光生电荷性质研究： 1、半导体材料的禁带宽度的测定 2、光生电荷扩散方向 3、带带跃迁与亚带隙跃迁的区分 4、光生电荷

9、属性的研究,04:29,33,Eg = 1/l (nm) 1240 = 1/390 1240 = 3.18 eV,1、半导体材料的禁带宽度的测定,l,l,BiVO4-A: 四角型 BiVO4-B: 四角/单斜 BiVO4-C: 单斜,BiVO4表面光电压谱和它的表面光伏相位谱,2、光生电荷扩散方向,表面光电压谱 表面光伏相位谱,表面光伏相位谱,TiO2 （111）单晶,3、带带跃迁与亚带隙跃迁的区分,带带跃迁,亚带隙跃迁,04:29,37,TEM images of the ZnO quantum dots (a) and ZnO nanorods (b),4、 光生电荷属性研究 例子：纳米Z

10、nO光伏性质研究,04:29,38,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,04:29,39,（A） （B） Fig 5. FISPS response of ZnO nanorods。（A）Positive field ； （B） Negative field,04:29,40,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,限域态或自由激子态FISPS响应的特征： 光伏强度随外场线性增强 光伏极性

11、随外场极性改变对称变化 光伏峰位不随外场变化,J. Phys. Chem. B 2004, 108, 3202-3206,04:29,41,自建场对表面光伏和荧光的调控作用,原位,气体吸附对表面光伏的影响 光电,04:29,42,SPV response (a) and PL (b) of ZnO nanoparticles,Em. 350 nm,原位,气体吸附对表面光伏的影响 发光, 光催化研究 1、Au/TiO2微球光生电荷迁移性质研究,不同金掺杂量的样品焙烧前的SEM照片,5 mm,5 mm,5 mm,5 mm,纯TiO2,0.35%,0.53%,0.7%,SEM of 0.7%Au-T

12、iO2,TEM image of the annealed titania spheres (0.70 mol % CA, calcniation at 500 C for 2h), Inset is the HRTEM image of the selected area, scale bar: 5 nm.,样品焙烧前后的SEM结果及焙烧后样品的TEM和HRTEM结果,Au nanoparticle,500度焙烧前 焙烧后,AuCl4-离子分解生成Au原子，Au原子移动聚集生成纳米颗粒,Au-TiO2微球的漫反射吸收谱,TiO2,Au plasmon,二者之间的强相互作用导致Au纳米粒子的p

13、lasmon吸收复杂化,Au-TiO2微球的表面光电流谱,紫外光照射下， Au纳米粒子作为电子受体捕获光生电子，降低了TiO2导带中电子的迁移 可见光照射下，Au纳米粒子的plasmon光生电子转移到TiO2纳米晶中，促进了光电导,TiO2,Au plasmon,Au-TiO2微球的表面光电压谱,TiO2,Au plasmon,紫外光照射下， SPV增强：TiO2纳米晶的光生电子转移到Au纳米粒子中 可见光照射下，Au纳米粒子的plasmon光生电子转移到TiO2纳米晶中,Au-TiO2微球的光生电荷转移示意图,在紫外光下，Au作为光生电子受体，有利于光生电荷的分离,紫外光,在可见光下，Au作

14、为光生电子给体，实现其plasmon吸收的光生电荷的分离,Au-TiO2微球的光催化活性测试,紫外光降解 MO,可见光降解 MO,75W汞灯,450nm,Au纳米粒子促进了光生电荷分离，提高了紫外光催化效果。,Au纳米粒子plasmon吸收具有可见光催化性能，其机理可能是产生了光生电子转移的结果,Chemistry a European Journal 2009, 15, 43664372,BiVO4的制备,1：四角晶BiVO4,2：单斜BiVO4,3：混晶BiVO4,2、不同晶型BiVO4光生电荷迁移性质研究,BiVO4-A: 四角型 BiVO4-B: 四角/单斜 BiVO4-C: 单斜,B

15、iVO4的SRD,BiVO4紫外可见吸收,BiVO4-A: 四角型 BiVO4-B: 四角/单斜 BiVO4-C: 单斜,BiVO4-A: 四角型 BiVO4-B: 四角/单斜 BiVO4-C: 单斜,BiVO4表面光电压谱和它的表面光伏相位谱,l=355nm,l=355nm,Figure 4 TPV curve of BiVO4 exited with a laser radiation pulse with a power of 50 mJ, wavelength of 355 nm and pulse width of 5 ns,BiVO4瞬态表面光伏,Figure 5 Photodeg

16、radation of MB using BiVO4 with different phase under the irradiation of visible light. ( 400 nm, CMB = 10 mg/L),可见光下BiVO4光催化活性,可见光,紫外光下BiVO4光催化活性,紫外光,J. Phys. Chem. C. 2012, 116, 24252430,04:29,58,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,3、太阳能电池研究的应用,04:29,59,Z

17、n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！,04:29,60,(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,04:29,61,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

18、, Dejun Wang, Tengfeng Xie, Electrochimica Acta， in press,04:29,62,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,04:29,63,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,04:29,64,Yu Zhang，Tengfeng Xie, Dejun Wang et al. Nanotechnology, 2009, 20, 155707,532 nm 激发 激发水平50 m

19、J/pulse,04:29,65,4、表面光电流研究光电气敏,04:29,66,Min Yang, Dejun Wang; Sensors and Actuators B 117 (2006) 8085,04:29,67,(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 th

20、e process of photo-induce charge transferring from Azo pigment to ZnO nanoparticles.,(a),(b),04:29,68,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) 660

21、664,p-Cu2O / n-Cu2O异质界面对光生电荷的调控 (同质界面),Cu2O同质结的制备方法两步电沉积,(1)0.02 M CuSO4，调节溶液的pH值为7.0，8.0，9.0，制备一系列p-Cu2O膜，沉积电量为0.6 C/cm2。 (2)0.02 M Cu(AC)2，调节溶液的pH值为4.9，再沉积一层n-Cu2O膜，沉积电量为0.3 C/cm2。,(1),(2),Colleen M., J. AM. CHEM. SOC. 2009, 131, 25612569 Colleen M., J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 26662670,p-Cu2O / n-Cu2O 复合膜的SEM,p-n Cu2O (pH7.0 + pH4.9) p-n Cu2O (pH8.0 + pH4.9) p-n Cu2O (pH9.0 + pH4.9),+ O R,高分离效率=高活性？,p-n Cu2O同质结的能带结构和电荷转移方向,p-n Cu2O复合膜的XRD和吸收光谱,（A）p-n Cu2O (pH7.0 + pH4.9)