導電聚合物/半導體金屬氧化物光敏符合材料光響應機制的探究

苗雪松

摘 要：能源問題是人類社會發(fā)展遇到的最大難題，利用廉價易得的太陽能，設計合成有機染料和半導體高聚物組成的電池材料和新穎的光電器件結構，是應對能源危機的一種有效方式。本文主要介紹光敏材料的光響應機制。

關鍵詞：導電聚合物;半導體金屬氧化物;光響應機制;P-N結

1? ? 導電聚合物/半導體金屬氧化物光敏復合材料簡述

自從第一塊太陽能電池1954年制造出來之后，太陽能電池解決了空間衛(wèi)星的基本電源和地面無電地區(qū)無電源這些棘手的問題。目前大量使用的太陽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，薄膜太陽能電池應勢而生。它具有柔性基底，加工方便且成本低廉，像這樣化學結構可調控的有機太陽能電池正是現(xiàn)階段廣泛研究的領域之一，許多科研小組已經(jīng)利用有機染料和半導體高聚物，來合成新的電池材料和設計新穎的光電器件結構。如PATERNO等[1]利用層層自組裝技術，成功制備出一個密集型的二氧化鈦/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能染料敏化電池（DSC）中。

光電敏感材料，其實就是一種利用電子-空穴的定向移動而產生電信號的一類物質，其可以吸收一定波長的光并產生電子-空穴對。當今研究的熱點之一，就是制備對光電流敏感功能化納米光電材料。在研究過程中，廣泛采用紫外光、可見光、太陽光能源這些綠色的光源。這些光敏材料一般應用在光電轉換器研究方面，例如光開光微器件、光探測器、光致發(fā)光等。眾所周知，很多曾經(jīng)已報道過的光敏材料都是基于一些半導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。為了未來的選擇和實際應用，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合材料，其光敏性可以被誘導或者提高。

2? ? 半導體金屬氧化物的光響應機制

在研發(fā)的所有光敏材料或者器件中，光敏材料產生光電流的根本原因都是一致的，即吸收光而產生電子-空穴對，同時光生電子定向移動才使得光敏材料中產生了光響應電流。在空氣中，當光輻射照射在半導體金屬氧化物表面時，電子-空穴對產生，即光能轉換為電能，類似這種光電轉化效應就可以實現(xiàn)對光信號的辨別。金屬氧化物價帶中的電子在吸收光子后，相應的就會產生光生電子—空穴對，這種由入射光激發(fā)產生的載流子稱為光生載流子，它是這樣產生的：半導體半導體金屬氧化物金屬氧化物的表面可以吸附一些氧氣分子，當光照射半導體表面時，這些氧氣分子就會奪取半導體金屬氧化物價帶中的自由電子，從而在其表面形成O2-，O-和O2-等離子，剩下的光生空穴就會向半導體金屬氧化物的表面移動。同時，由于被上述O2-，O-和O2-離子中和，那么半導體內未成對電子就會隨著光照時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到動態(tài)平衡時，半導體金屬氧化物中，聚集的未成對電子就成為其主要的載流子。如果在金屬氧化物測試載體的兩側，加上一個外加偏壓的話，上述聚集的自由的未對電子就可以在外加電場的作用下定向移動，這樣當即在光照射下就可以產生穩(wěn)定持續(xù)的光電流。利用這種原理制作的探測器，就稱之為光電導行探測器。

3? ? 導電聚合物/半導體金屬氧化物光敏復合材料的光敏機制

眾所周知，有些光吸收能力很強的半導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生的光生電子-空穴很難分離，光生電子-空穴的再結合能力如此之強，以至于光生電子很難游離出來。因此，人們竭力尋找使其光敏性提高或者被誘導出來的方法時，主要從抑制光生電子-空穴對的再結合的角度出發(fā)?？梢赃x擇一個協(xié)助金屬氧化物轉移電子的平臺-高分子聚合物[2]，選擇一種能級匹配的聚合物表面功能化半導體金屬氧化物形成復合材料，當光照射此復合材料表面時電子-空穴對產生，且產生在半導體金屬氧化物的價帶（VB）中，當繼續(xù)光照時產生的光生電子被激發(fā)到能級匹配的聚合物的低能最高占有軌道（HOMO）中，繼而聚合物分子內部發(fā)生π-π*電子躍遷，伴隨著躍遷過程光生電子又被激發(fā)到能級匹配的聚合物的高能最低占有軌道（LUMO）中，最后光生電子轉移到半導體金屬氧化物的導帶（CB）中。從理論上分析，這些聚合物就相當于消耗或轉移光生電子的紐帶，光生電子的轉移恰好可以在很大程度上抑制電子-空穴對的再結合，從而使得半導體金屬氧化物的光敏性被誘導或提高，其光敏機理示意如圖1所示。

[參考文獻]

[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.