苗雪松

摘 要：能源問(wèn)題是人類社會(huì)發(fā)展遇到的最大難題，利用廉價(jià)易得的太陽(yáng)能，設(shè)計(jì)合成有機(jī)染料和半導(dǎo)體高聚物組成的電池材料和新穎的光電器件結(jié)構(gòu)，是應(yīng)對(duì)能源危機(jī)的一種有效方式。本文主要介紹光敏材料的光響應(yīng)機(jī)制。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電聚合物;半導(dǎo)體金屬氧化物;光響應(yīng)機(jī)制;P-N結(jié)

1? ? 導(dǎo)電聚合物/半導(dǎo)體金屬氧化物光敏復(fù)合材料簡(jiǎn)述

自從第一塊太陽(yáng)能電池1954年制造出來(lái)之后，太陽(yáng)能電池解決了空間衛(wèi)星的基本電源和地面無(wú)電地區(qū)無(wú)電源這些棘手的問(wèn)題。目前大量使用的太陽(yáng)能電池材料成本太高，以至于大規(guī)模使用還存在一定困難，因此，薄膜太陽(yáng)能電池應(yīng)勢(shì)而生。它具有柔性基底，加工方便且成本低廉，像這樣化學(xué)結(jié)構(gòu)可調(diào)控的有機(jī)太陽(yáng)能電池正是現(xiàn)階段廣泛研究的領(lǐng)域之一，許多科研小組已經(jīng)利用有機(jī)染料和半導(dǎo)體高聚物，來(lái)合成新的電池材料和設(shè)計(jì)新穎的光電器件結(jié)構(gòu)。如PATERNO等[1]利用層層自組裝技術(shù)，成功制備出一個(gè)密集型的二氧化鈦/聚（苯乙烯）多層薄膜，該薄膜被用于碰觸和阻礙高效型的太陽(yáng)能染料敏化電池（DSC）中。

光電敏感材料，其實(shí)就是一種利用電子-空穴的定向移動(dòng)而產(chǎn)生電信號(hào)的一類物質(zhì)，其可以吸收一定波長(zhǎng)的光并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一，就是制備對(duì)光電流敏感功能化納米光電材料。在研究過(guò)程中，廣泛采用紫外光、可見光、太陽(yáng)光能源這些綠色的光源。這些光敏材料一般應(yīng)用在光電轉(zhuǎn)換器研究方面，例如光開光微器件、光探測(cè)器、光致發(fā)光等。眾所周知，很多曾經(jīng)已報(bào)道過(guò)的光敏材料都是基于一些半導(dǎo)體氧化物或硫化物的，如氧化鋅（ZnO）、二氧化錫（SnO2）、氧化鈰（CeO2）等。本身具有光敏性的納米材料的數(shù)量還是很少的。為了未來(lái)的選擇和實(shí)際應(yīng)用，研發(fā)性能較好的新光電流敏感材料，常常用聚合物功能化金屬氧化物或硫化物表面形成復(fù)合材料，其光敏性可以被誘導(dǎo)或者提高。

2? ? 半導(dǎo)體金屬氧化物的光響應(yīng)機(jī)制

在研發(fā)的所有光敏材料或者器件中，光敏材料產(chǎn)生光電流的根本原因都是一致的，即吸收光而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，同時(shí)光生電子定向移動(dòng)才使得光敏材料中產(chǎn)生了光響應(yīng)電流。在空氣中，當(dāng)光輻射照射在半導(dǎo)體金屬氧化物表面時(shí)，電子-空穴對(duì)產(chǎn)生，即光能轉(zhuǎn)換為電能，類似這種光電轉(zhuǎn)化效應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的辨別。金屬氧化物價(jià)帶中的電子在吸收光子后，相應(yīng)的就會(huì)產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，這種由入射光激發(fā)產(chǎn)生的載流子稱為光生載流子，它是這樣產(chǎn)生的：半導(dǎo)體半導(dǎo)體金屬氧化物金屬氧化物的表面可以吸附一些氧氣分子，當(dāng)光照射半導(dǎo)體表面時(shí)，這些氧氣分子就會(huì)奪取半導(dǎo)體金屬氧化物價(jià)帶中的自由電子，從而在其表面形成O2-，O-和O2-等離子，剩下的光生空穴就會(huì)向半導(dǎo)體金屬氧化物的表面移動(dòng)。同時(shí)，由于被上述O2-，O-和O2-離子中和，那么半導(dǎo)體內(nèi)未成對(duì)電子就會(huì)隨著光照時(shí)間的增加而逐漸聚集，直到氧氣的解吸附速率和再吸附速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，半導(dǎo)體金屬氧化物中，聚集的未成對(duì)電子就成為其主要的載流子。如果在金屬氧化物測(cè)試載體的兩側(cè)，加上一個(gè)外加偏壓的話，上述聚集的自由的未對(duì)電子就可以在外加電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)，這樣當(dāng)即在光照射下就可以產(chǎn)生穩(wěn)定持續(xù)的光電流。利用這種原理制作的探測(cè)器，就稱之為光電導(dǎo)行探測(cè)器。

3? ? 導(dǎo)電聚合物/半導(dǎo)體金屬氧化物光敏復(fù)合材料的光敏機(jī)制

眾所周知，有些光吸收能力很強(qiáng)的半導(dǎo)體金屬氧化物卻沒有光敏性或其光敏性很微弱，原因就是光照射金屬氧化物表面產(chǎn)生的光生電子-空穴很難分離，光生電子-空穴的再結(jié)合能力如此之強(qiáng)，以至于光生電子很難游離出來(lái)。因此，人們竭力尋找使其光敏性提高或者被誘導(dǎo)出來(lái)的方法時(shí)，主要從抑制光生電子-空穴對(duì)的再結(jié)合的角度出發(fā)。可以選擇一個(gè)協(xié)助金屬氧化物轉(zhuǎn)移電子的平臺(tái)-高分子聚合物[2]，選擇一種能級(jí)匹配的聚合物表面功能化半導(dǎo)體金屬氧化物形成復(fù)合材料，當(dāng)光照射此復(fù)合材料表面時(shí)電子-空穴對(duì)產(chǎn)生，且產(chǎn)生在半導(dǎo)體金屬氧化物的價(jià)帶（VB）中，當(dāng)繼續(xù)光照時(shí)產(chǎn)生的光生電子被激發(fā)到能級(jí)匹配的聚合物的低能最高占有軌道（HOMO）中，繼而聚合物分子內(nèi)部發(fā)生π-π*電子躍遷，伴隨著躍遷過(guò)程光生電子又被激發(fā)到能級(jí)匹配的聚合物的高能最低占有軌道（LUMO）中，最后光生電子轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體金屬氧化物的導(dǎo)帶（CB）中。從理論上分析，這些聚合物就相當(dāng)于消耗或轉(zhuǎn)移光生電子的紐帶，光生電子的轉(zhuǎn)移恰好可以在很大程度上抑制電子-空穴對(duì)的再結(jié)合，從而使得半導(dǎo)體金屬氧化物的光敏性被誘導(dǎo)或提高，其光敏機(jī)理示意如圖1所示。

[參考文獻(xiàn)]

[1]PATROCINIO A O T，PATERNO L G，MURAKAMI IHA N Y.Role of Polyelectrolyte for Layer-by-layer compact TiO2 films in efficiency enhanced dye-sensitized solar cells[J].Journal of Physical Chemistry C，2010（41）：17954-17959.

[2]XU T，QIAO Q.Conjugated polymer–inorganic semiconductor hybrid solar cells[J].Energy & Environmental Science，2011（8）：2700-2720.