利用瞬態(tài)光伏技術(shù)研究半導(dǎo)體功能材料的光電性質(zhì)

何冬青，王琦，于倩，王玨，劉洪成，杜新偉

（黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院碳材料實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150020）

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利用瞬態(tài)光伏技術(shù)研究半導(dǎo)體功能材料的光電性質(zhì)

何冬青，王琦，于倩，王玨，劉洪成，杜新偉

（黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院碳材料實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150020）

摘要：瞬態(tài)光伏技術(shù)（TPV）能夠有效探索半導(dǎo)體功能材料中光生電荷的輸運(yùn)性質(zhì)，是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。簡(jiǎn)述了利用瞬態(tài)光伏技術(shù)探索半導(dǎo)體功能材料的光電性質(zhì)，包括分析功能材料的類型、載流子的傳輸方向、載流子的壽命、分離效率等信息，這對(duì)我們理解半導(dǎo)體功能材料的各種光物理過(guò)程是非常有益的。

關(guān)鍵詞：瞬態(tài)光伏技術(shù)；光生電荷；光生電子-空穴對(duì)；光生載流子

注：此工作得到了黑龍江省科學(xué)院青年創(chuàng)新基金優(yōu)青項(xiàng)目的支持。

瞬態(tài)光伏技術(shù)是微區(qū)掃描技術(shù)中表面光電壓的一種。表面光電壓就是半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，當(dāng)半導(dǎo)體的表面被大于其帶隙能的光照射時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶（VB）中的電子由于吸收了光子的能量，躍遷到半導(dǎo)體導(dǎo)帶（CB），價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，這種光生電荷的空間分離產(chǎn)生的電勢(shì)差為光伏效應(yīng)，W. G. Adams在1876年最先觀察到這一現(xiàn)象。1948年以后，半導(dǎo)體領(lǐng)域的開拓使得光伏效應(yīng)成為一種檢測(cè)手段，并應(yīng)用于半導(dǎo)體材料特征參數(shù)的表征上。不同于穩(wěn)態(tài)表面光電壓（SPS）檢測(cè)在連續(xù)波長(zhǎng)的光激發(fā)下的光生載流子（電子或空穴）的分離結(jié)果，瞬態(tài)光伏技術(shù)檢測(cè)的是在極短的光（納秒ns或飛秒fs級(jí)別）激發(fā)后的光生載流子的產(chǎn)生、分離、復(fù)合等一系列動(dòng)力學(xué)行為。

1瞬態(tài)光伏技術(shù)的發(fā)展

瞬態(tài)光伏的說(shuō)法源于英文Transient photovoltage。這種檢測(cè)方法也有許多其他的表達(dá)方式，如時(shí)間分辨光伏（Time- resolved photovoltage）等。最早利用瞬態(tài)光伏技術(shù)的是E. O. Johanson［1］，1957年Johnson通過(guò)此技術(shù)探索了多種半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的壽命。瞬態(tài)光伏技術(shù)的發(fā)展依賴檢測(cè)儀器中光源的使用，Johnson采用的光源為電火花隙（Spark gap），它的時(shí)間分辨率在微秒范圍內(nèi)。J. Hlavka和R. Svehla［2］使用發(fā)光二極管作為光源，將測(cè)試裝置從等效電路上進(jìn)行分析，得到的時(shí)間分辨率為100ns。這一技術(shù)的改進(jìn)對(duì)未來(lái)瞬態(tài)光伏技術(shù)的迅速發(fā)展起到了至關(guān)重要的推動(dòng)作用。隨著具有超快時(shí)間分辨率的脈沖激光器作為光源，瞬態(tài)光伏的時(shí)間分辨率也逐漸提高，在各類型的半導(dǎo)體材料中都有應(yīng)用，探索這些半導(dǎo)體材料的光電性質(zhì)，獲得了很多優(yōu)異的成果。例如2004年，B. Mahrov等人研究了空穴導(dǎo)體CuSCN等和電子導(dǎo)體TiO2等的瞬態(tài)光伏，分析得知不同的半導(dǎo)體類型（空穴或電子導(dǎo)體）導(dǎo)致了電荷注入方式不同［3］。在利用瞬態(tài)光伏技術(shù)作為研究手段的工作中，德國(guó)Th. Dittrich研究小組獲得了令人矚目的成績(jī)。他們不僅檢測(cè)到時(shí)間分辨率為納秒級(jí)的光伏結(jié)果，同時(shí)研究了不同類型半導(dǎo)體材料的瞬態(tài)光伏性質(zhì)，建立了多種模型［4］。V. Duzhko博士在低電導(dǎo)材料方面也做了大量的工作，從單一的Si器件到現(xiàn)在的復(fù)雜器件，如染料敏化的TiO2器件、量子點(diǎn)電池器件等［5］。此外，瑞士的Anders Hagfeldt小組［6］，英國(guó)的Brian C. O'Regan小組［7］和日本的Kunio Awaga小組［8］也對(duì)半導(dǎo)體材料的瞬態(tài)光伏性質(zhì)有卓越的研究。在國(guó)內(nèi)復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的侯曉遠(yuǎn)教授課題組和吉林大學(xué)光化學(xué)與光物理實(shí)驗(yàn)室的王德軍教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組對(duì)瞬態(tài)光伏技術(shù)的研究都取得非常好的研究成果。侯曉遠(yuǎn)教授課題組從有機(jī)薄膜半導(dǎo)體等瞬態(tài)光伏結(jié)果發(fā)現(xiàn)了極快激子解離過(guò)程［9］。王德軍教授課題組在研究功能半導(dǎo)體材料，如TiO2、ZnO、Fe3O4、BiVO4等新興的半導(dǎo)體材料的瞬態(tài)光電性質(zhì)有重要發(fā)現(xiàn)［10-13］。

2瞬態(tài)光伏技術(shù)的裝置及獲得的信息

理想的光伏測(cè)試技術(shù)可以調(diào)節(jié)不同的參數(shù)對(duì)半導(dǎo)體功能材料進(jìn)行測(cè)試，例如，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度、壓力、氣氛等一系列參數(shù)，也可以選擇不同的光源（連續(xù)光源或者脈沖激光源）進(jìn)行瞬態(tài)光伏（時(shí)間分辨的光電壓）的測(cè)量，如圖1a中所示。作為一種無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，瞬態(tài)光伏系統(tǒng)的搭建通常是按照?qǐng)D1b中的簡(jiǎn)圖自組裝搭建。光源為脈沖激光器，測(cè)試過(guò)程中經(jīng)過(guò)衰減的激光可以通過(guò)漸變圓形中性濾光片進(jìn)行調(diào)節(jié)，衰減后的激光通過(guò)反光鏡直接照射到樣品池中。樣品池的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器，由數(shù)字示波器進(jìn)行檢測(cè)記錄。

圖1（a）理想光伏測(cè)試裝置；（b）瞬態(tài)光伏測(cè)試自組裝示意圖。Fig.1 (a) Schematic picture of the experimental setup for transient and spectra PV measurements; (b) The schematicfor self- assembly transient photovoltage

光生電荷的產(chǎn)生是一個(gè)極其快速的過(guò)程，相比之下，光生電荷載流子的分離、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移和復(fù)合則較慢，一般時(shí)間分辨率在納秒、微秒甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，光生載流子在不同時(shí)間分辨率內(nèi)的傳輸動(dòng)力學(xué)行為對(duì)半導(dǎo)體功能材料的活性有著重要的影響。例如，半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換效率就受到半導(dǎo)體光生電子空穴對(duì)的分離程度影響；光生載流子的傳輸方向影響功能材料的性質(zhì)及其應(yīng)用；同時(shí)光生載流子的壽命及其具有的能量可以決定體系的氧化還原性等。因此，通過(guò)瞬態(tài)光伏技術(shù)可以獲得半導(dǎo)體功能材料光生電荷的分離效率、獲得光生載流子（電子或空穴）的擴(kuò)散方向、光生載流子的擴(kuò)散壽命等微觀動(dòng)力學(xué)信息。通過(guò)這些信息，我們可以分析半導(dǎo)體功能材料的物理化學(xué)性質(zhì)，以及這些性質(zhì)與材料活性之間的關(guān)系，這對(duì)進(jìn)一步提高和優(yōu)化功能材料的性能是非常重要的。

3　瞬態(tài)光伏獲得材料類型和載流子傳輸方向

利用瞬態(tài)光伏技術(shù)可以判斷功能材料的類型。例如圖2所示，2a中為n型Si的瞬態(tài)光伏譜圖。它顯示當(dāng)材料的表面受到光照以后，n型半導(dǎo)體的瞬態(tài)光伏信號(hào)為正，光生電子向材料的體相遷移，光生空穴向表面遷移，并在表面大量聚集，因此表現(xiàn)為正信號(hào)。2b 中p型Si的瞬態(tài)光伏信號(hào)為負(fù)。當(dāng)p型材料受到光激發(fā)以后，光生電子向材料的表面移動(dòng)，光生空穴向體相移動(dòng)，因此信號(hào)為負(fù)［14］。

圖2.（a）為n型Si的瞬態(tài)光伏曲線譜；（b）為p型Si的瞬態(tài)光伏曲線譜。Fig.2 (a) Transient photovoltage curve chart of n- type Si; (b) Transient photovoltage curve chart of p- type Si

4　瞬態(tài)光伏技術(shù)比較材料的分離效率及壽命

利用瞬態(tài)光伏技術(shù)可以分析半導(dǎo)體功能材料的光生電荷分離效率和光生載流子的擴(kuò)散壽命。在光催化應(yīng)用中，光生載流子的分離效率及壽命影響著催化劑的活性。光生電子-空穴對(duì)的分離效率越高，載流子的壽命越長(zhǎng)，說(shuō)明在光催化降解過(guò)程中參與氧化還原反應(yīng)的載流子越多，催化活性越高。如在C摻雜的TiO2材料（C- TiO2）中［10］，不同的煅燒溫度獲得的樣品，由于光電性質(zhì)的不同，催化活性具有明顯差異。如圖3a所示，瞬態(tài)光伏信號(hào)在最大值處（P2峰）歸因于光生電荷載流子的擴(kuò)散，與P25的瞬態(tài)光電壓曲線相比，在130℃、150℃、180℃煅燒溫度制備下C摻雜TiO2樣品P2峰位的響應(yīng)時(shí)間分別是19ms、32ms、30ms，C的摻雜使得樣品的擴(kuò)散光伏壽命明顯延長(zhǎng)，說(shuō)明C- TiO2的光生載流子的分離效率更高，光生載流子的復(fù)合更慢，因此有更多的載流子參與光催化的氧化還原反應(yīng)，催化活性更高，如圖3b。

圖3（.a）P25和不同煅燒溫度下的C- TiO2樣品的瞬態(tài)光伏響應(yīng)曲線，激光波長(zhǎng)為355nm，強(qiáng)度；（b）在大于420nm可見光波長(zhǎng)下，P25和不同煅燒溫度下的樣品的光降解MO曲線。Fig.3 (a)The transient photovoltage (TPV) responses of P25 and C- TiO2samples. The wavelength and intensity of excitation pulse are 355 nm and 50μJ, respectively; (b) Kinetics of photodegradation ofprepared at different hydrothermal temperature as a photocatalyst under visible light (λ> 420 nm)

5瞬態(tài)光伏技術(shù)的未來(lái)及展望

利用瞬態(tài)光伏技術(shù)研究半導(dǎo)體功能材料的光電性質(zhì)目前已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。未來(lái)這一研究領(lǐng)域是否能夠取得更大的突破和快速的發(fā)展，很大程度上仍然取決于人們對(duì)光生電荷載流子輸運(yùn)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和光電功能半導(dǎo)體活性之間關(guān)系的更深入的研究。飛秒、皮秒時(shí)間分辨瞬態(tài)技術(shù)是未來(lái)的發(fā)展，在超快時(shí)間分辨率內(nèi)的半導(dǎo)體光電性質(zhì)，對(duì)于我們深入探索光電功能體系的活性及機(jī)理有著重要的作用。

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The Photoelectric Behavior of Semiconductor Functional Materials by Transient Photovoltage Technique

HE Dong-qing, WANG Qi, YU Qian, WANG Jue, LIU Hong-cheng, DU Xin-wei
(Carbon Materials Laboratory, Institute of Advanced Technologyof Heilongjiang Academyof Science , Harbin 150020, China)

Abstract:Transient photovoltage technology (TPV) has been applied to explore the behaviors of the photo-induced charge carriers of semiconductor functional material in microscopic dynamics field. This work shows that the photovoltage properties of semiconductor functional materials are explored by means of transient photovoltage technology, including the types of materials, the transport direction of photoinduced carriers, life of carrier, separation efficiency. The information provided here is thought to be beneficial for understanding all kinds of photophysical processes of semiconductor functional materials.

Keywords:Transientphotovoltagetechnique;Photoinducedcharge;Photoinducedelectron-holepairs;Photoinducedcarriers

收稿日期：2016- 01- 08

中圖分類號(hào)：TB34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8646（2016）03-0010-03