第10章半导体电化学和光电化学基础
光电化学的物理化学基础
光电化学的物理化学基础光电化学是研究光与电的相互作用过程以及在化学反应中的应用的学科，它是物理化学的一个重要分支。
本文将从光的本质、电的本质以及光电化学的基本原理等方面，探讨光电化学的物理化学基础。
一、光的本质光是一种电磁波，具有波粒二象性，既可以看作是波动的粒子，又可以看作是粒子在空间中传播的波动。
根据波长的不同，光可以分为不同的波段，包括可见光、紫外线、红外线等。
光的能量与频率有关，能量越高，频率越大。
二、电的本质电是一种带电粒子的运动状态，常见的有正电荷和负电荷。
正电荷和负电荷之间相互吸引，相同电荷之间相互排斥。
电的运动形式多样，可以是电流、电子在导体中的移动等。
三、光电效应的基本原理光电效应是指当光照射到金属上时，金属表面的电子受到光的能量激发而发射出去的现象。
光电效应的基本原理可以通过光电效应方程来描述，即E = hf - φ，其中E为电子的最大动能，h为普朗克常数，f为光的频率，φ为金属的功函数。
根据该方程可以得出，只有光的频率大于等于某个临界频率，电子才能从金属表面发射出来。
四、半导体的能带理论半导体是光电化学研究中的重要材料之一，其电子能带结构具有很大的影响。
在半导体中，价带是最高能级的填充电子带，导带是最低能级的未填充电子带，两者之间存在带隙。
带隙越小，半导体的导电能力越强。
通过施加外加电压或光照射，可以使半导体中的电子跃迁到导带，形成电流。
五、光电池中的光电效应光电池是利用光电效应将光能转化为电能的装置，是光电化学应用的重要领域之一。
光电池的工作原理主要基于光电效应的基本原理，通过光的照射将光能激发电子从半导体中释放出来，形成电流。
其中，常见的光电池包括太阳能电池、光敏电阻等。
光电化学是光与电的相互作用过程在化学反应中的应用，它在能源转换、环境治理、材料科学等方面具有广泛的应用前景。
通过研究光的本质、电的本质以及光电化学的基本原理，可以更好地理解光电化学的物理化学基础，并为相关领域的研究与应用提供指导。
(完整版)电化学基础知识点总结
(完整版)电化学基础知识点总结电化学是研究化学变化与电能之间的相互转化关系的科学，是现代化学的一个重要分支。
以下是关于电化学基础知识点的一篇完整版总结，字数超过900字。
一、电化学基本概念1. 电化学反应：指在电池或其他电解质系统中，化学反应与电能之间的相互转化过程。
2. 电化学电池：将化学能转化为电能的装置。
电池分为原电池和电解池两大类。
3. 电池的电动势（EMF）：电池两极间的电势差，表示电池提供电能的能力。
4. 电解质：在水溶液中能够导电的物质，分为强电解质和弱电解质。
5. 电解质溶液：含有电解质的溶液，具有导电性。
6. 电极：电池中的导电部分，分为阳极和阴极。
二、电化学基本原理1. 法拉第电解定律：电解过程中，电极上物质的得失电子数量与通过电解质的电量成正比。
2. 欧姆定律：电解质溶液中的电流与电阻成反比，与电势差成正比。
3. 电池的电动势与电极电势：电池的电动势等于正极电极电势与负极电极电势之差。
4. 电极反应：电极上发生的氧化还原反应。
5. 电极电势：电极在标准状态下的电势，分为标准电极电势和非标准电极电势。
6. 活度系数：溶液中离子浓度的实际值与理论值之比。
三、电极过程与电极材料1. 电极过程：电极上发生的化学反应，包括氧化还原反应、电化学反应和电极/电解质界面反应。
2. 电极材料：用于制备电极的物质，分为活性物质和导电物质。
3. 活性物质：在电极过程中发生氧化还原反应的物质。
4. 导电物质：提供电子传递通道的物质。
5. 电极结构：电极的形状、尺寸和组成。
四、电池分类与应用1. 原电池：不能重复充电的电池，如干电池、铅酸电池等。
2. 电解池：可重复充电的电池，如镍氢电池、锂电池等。
3. 电池应用：电池在通信、交通、能源、医疗等领域的应用。
五、电化学分析方法1. 电位分析法：通过测量电极电势来确定溶液中离子的浓度。
2. 伏安分析法：通过测量电流与电压的关系来确定溶液中离子的浓度。
3. 循环伏安分析法：通过测量电流与电压的关系来研究电极过程。
电化学原理考题1
阴极(+)→负移 阳极(-)→正移
E>V
阳极→正移 阴极→负移
E<V
速度控制步骤
速度控制步骤 (rate-determining step)：串连的
各反应步骤中反应速度最慢的步骤。
浓差极化(concentration polarization)：液相传质
步骤为控制步骤时引起的电极极化。
电化学极化(electrochemical polarization)：由于
Fe-H2O系的电位-pH图的分析
第三章 电极/溶液界面的结构与性质
一、电毛细曲线及 其测定
两相间均存在界面张力， 电极体系界面张力不仅与 界面层的物质有关，而且 与电极电位有关，此界面 张力随电极电位变化的现 象叫做电毛细现象。
双电层结构
一、电极/溶液界面的基本结构
静电作用使相反电荷靠近，倾向于紧贴电极表面 排列，图3.11。而热运动使带电粒子倾向于均匀 分布，使剩余电荷不能紧贴电极表面分布，有一 定扩散性，形成扩散层。二者相互作用使不同条 件下电极体系中，双电层由紧密层和分散层两部 分组成。
零电荷电位
表面剩余电荷为零或电极/溶液界面不存在离子双电层 时的电极电位，其数值大小相对于某一参比电极获得。 剩余电荷是相电位存在重要而非唯一原因,各种极化等 因素都可形成一定的相间电位，零电荷电位仅表示电极 表面剩余电荷为零时的电位。而非电极/溶液相间电位 或绝对电极电位零点。 零电荷电位用经典毛细管法测量，对固态金属，可采用 间接测量方法，如硬度，润湿性等。
j nFv
由于nF是一常数,所以j完全取决于v, 即j可以表示 电极反应的速度.在电化学中电流密度就是电化学 反应速度的同义语.
光电化学性质
光电化学性质光电化学性质是指物质在光照条件下的电化学行为和性质。
它涉及光生电化学反应、光致电化学反应和光敏电化学材料等方面的研究。
在本文中，我们将探讨光电化学性质的基础概念、光生电化学反应和光敏电化学材料的应用。
一、光电化学性质的基础概念光电化学性质的研究是在光照条件下，物质的电化学性质发生变化和产生的现象。
光电化学性质研究的重点是物质与光的相互作用，主要包括以下几个方面的内容：1. 光生电子和空穴的生成：在光照条件下，物质中的光子能量被吸收，从而导致光生电子和空穴的生成。
这种生成可以通过光电效应、光吸收效应等机制实现。
2. 光生电子和空穴的分离：生成的光生电子和空穴需要被有效地分离，这样才能发挥光电化学性质。
通常采用有机半导体材料、二氧化钛等具有良好载流子分离能力的材料来实现这一步骤。
3. 光生电子和空穴的传输：经过分离的光生电子和空穴会在材料中进行传输，从而产生电流或电势差。
光电化学电流和光电压是表征光电化学性质的重要参数。
二、光生电化学反应光生电化学反应是在光照条件下，物质中的电子和空穴参与到电化学反应中的过程。
这些反应可以通过带电粒子（电子或空穴）的参与来改变电极上的电荷转移速率，进而实现对光电化学电流的调控和控制。
常见的光生电化学反应有以下几种类型：1. 光生催化反应：光生电子和光生空穴促使反应物在电极表面发生催化反应。
这类反应通常涉及电子转移或氧化还原过程，如水分解反应、二氧化碳还原反应等。
2. 光生还原反应：光生电子参与物质的还原反应，将其还原为较高的价态或原子。
这些反应可以通过光致电化学方法实现。
3. 光生氧化反应：光生空穴促使物质发生氧化反应，将其氧化为较低的价态或原子。
一些有机化合物的氧化降解就是通过光生氧化反应来实现的。
三、光敏电化学材料的应用光敏电化学材料是一类在光照条件下显示出特殊电化学性质的材料。
它们能够将光能转化为电能，因此在太阳能电池、光电化学催化反应、光敏传感器等领域具有广泛的应用。
半导体光电化学-II10
• 若光子能量小于禁带宽度，
– 则光不能被吸收，而透射过晶体， – 晶体透明．如食盐晶体，禁带宽度约10eV，所
有光都能透射过去，因此它是透明的．
• 半导体晶体的禁带宽度在1eV左右
– 硅1.1eV，砷化镓1.4eV， – 吸收波长1.1μm和0.88μm，红外光．凡波长比
上述波长短的光，即可见光都将被吸收，因此 它们都是不透明的
1970s Fujishima和Honda发现在光照的半导 体(二氧化钛)电极和金属电极所组成 的电池中，水被分解成氢和氧，光能 转变为化学能，光电化学获得新的和 最大的飞跃。
1980s 低维半导体材料 1990s Graetzel 染料敏化太阳能电池
光催化治理环境污染 2000s 可见光分解水 ，可见光治理环境污染
• 应用Schottky 势垒模型处理半导体光效应
光电流的组成
1. 产生在空间电荷层的载流子 Jdep 2. 产生在半导体本体扩散到空间电荷层 Jdiff
短波，1/a小
长波，1/a大
本体 J diff
空间电荷层 Jdep
直接跃迁 间接跃迁
α A(hv Eg )1/ 2 hv
α B(hv Eg )2 hv
有关表面态的解释
• 动力学 • 在光电流、CV、发光测量中表现出的非理
想现象，中间能级等 • 唯象解释 • 得到表面态性能表征
– 表面态的能级位置，密度 – 表面态的反应性能，动力学速度
电流倍增反应
《物理评论快报》发表物理所半导 体硅重构研究新进展
中国科学院物理研究 所刘邦贵研究员及其 博士生徐野川在 Si(111)-7x7重构表面 相及其相变动力学现 象的研究中取得新的 进展，其主要结果发 表在2月8日 出版的 Physical Review Letters 100, 056103 (2008)。这项研究得 到了国家自然科学基 金委、国家科技部和 中国科学院相关项目 的支持。
电化学基础
第1页 页
上页
下页
章首
结束
李少斌
第10章 电化学基础 本 章 基 本 要 求
1. 熟悉氧化还原反应的基本概念，掌握氧化还 熟悉氧化还原反应的基本概念， 原反应方程式的配平。 原反应方程式的配平。 2. 了解原电池的构造，掌握电极电势的概念。 了解原电池的构造，掌握电极电势的概念。 3. 熟练掌握能斯特方程的各种应用。 熟练掌握能斯特方程的各种应用。 4. 了解电解的基本概念，进行有关电解的计算。 了解电解的基本概念，进行有关电解的计算。 5. 掌握 电势图和元素电势图的应用. 掌握pH电势图和元素电势图的应用 电势图和元素电势图的应用
第7页 页
C氧化值 氧化值 +4 -4 +2 0
下页
C共价数 共价数 4 4 4 4
章首 结束
上页
李少斌
一、氧化数和氧化还原反应
2.氧化还原反应 氧化还原反应——若干元素氧化数发生变化的反应 氧化还原反应 若干元素氧化数发生变化的反应 氧化——元素的氧化数 氧化 元素的氧化数↑ 元素的氧化数 还原——元素的氧化数 元素的氧化数↓ 还原 元素的氧化数 氧化剂——氧化数 的物质 氧化剂 氧化数↓的物质 氧化数 还原剂——氧化数 的物质 氧化数↑的物质 还原剂 氧化数
盐桥的作用
①让溶液始终保持电中性使电极反应得以继续进行 ②消除原电池中的液接电势
第23页 页
上页
下页
章首
结束
李少斌
铜锌原电池
第24页 页
上页
下页
章首
结束
李少斌
一、原电池
电极反应
Zn——负极 负极 Cu——正极 正极
Z → Z 2+ + 2e− n n
《电化学基础 》课件
电化学基础是研究电化学原理与应用的基础知识。电化学研究从化学反应中 产生电压、电流和电功率之间的相互作用，为科学和工业界提供了广泛的应 用。
定义
1 电化学
电化学是研究电流、电 势和电解过程中化学反 应的分支领域。
2 电感耦合
一个电子器件、传感器 或转换器用磁性耦合原 理将信号从一个电路传 送到另一个电路。
应用案例
1
节能灯
电化学领域的典型应用之一，催化层的材料选择是节能灯的成本决定因素。
2
肝素
肝素制备的中间体是一种糖，用电化学方法可以制备这种糖。
3
锂离子电池
锂离子电池正极材料由氧化物和其他元素经过多次烧结制备而成。
学习方法
1 精读重点内容
化学和物理的基础课程 是学习电化学重要的基 础。
2 参加相关学术会议
电化学池
可控制体系内离子的浓度，以适用于电化学 研究。
扫描电子显微镜
可通过成像和分析的手段观察样品形态、尺 寸、形貌等信息。
反应动力学
反应速率
电极反应性能
电化学反应速率可能受到温度、 电流密度、电极表面等因素的 影响。
电极表面材料和形貌会影响反 应动力学。
动力学基础
对电分析反应进行研究，可为 其他电化学研究领域提供理论 基础。
3 电池
一种能将化学能转化为 电能的设备。
重要性
能源
电化学研究为制造更高效、更 环保的能源提供了理论基础。
医学
电化学技术在医学领域中有潜 在的广阔应用领域。
电子产品
电化学原理及材料，如半导体、 电容器等，应用广泛于电子产 品中。
交通运输
电化学技术正在推动电动汽车 和混合动力汽车的发展。
光电化学的定义、光源以及涉及的光电材料、异质结的分类
光电化学的定义、光源以及涉及的光电材料、异质结的分类1.引言1.1 概述概述是文章的开篇部分，用于介绍光电化学的背景和意义。
光电化学是光与电化学的交叉学科，研究光和电化学相互作用的过程和机制。
它涉及到光源、光电材料以及异质结的分类等方面。
通过对光电化学的研究，可以揭示光与电化学之间的相互关系，拓展光电器件的应用领域，推动光电技术的发展。
光电化学作为一门独特的学科，具有广阔的应用前景。
在能源领域，光电化学可以应用于光电转换器件的研究，如太阳能电池和光电催化等，有助于实现可再生能源的利用和环境友好能源的开发。
在环境保护方面，光电化学可以用于污水处理、空气净化和废物处理等领域，利用光电材料和光源的特性来实现高效、清洁的环境治理。
此外，光电化学还在传感器、光催化剂、光电存储器件等领域有着广泛的应用。
本文将重点介绍光电化学的定义、光源以及涉及的光电材料、异质结的分类。
首先，将详细解释光电化学的概念和研究内容，为读者提供一个全面的认识。
其次，将介绍常见的光源种类及其特性，并探讨其在光电化学研究中的应用。
接着，将介绍光电材料在光电化学中的作用和分类，包括光电催化剂、光电转换材料等。
最后，将探讨异质结在光电化学中的重要性以及常见的分类方法。
通过本文的阅读，读者将对光电化学有一个系统性的了解，理解光电化学的定义、光源、光电材料以及异质结的分类等方面的内容。
同时，读者也可以更深入地了解光电化学在能源领域、环境保护以及其他应用领域的潜力和前景。
1.2 文章结构文章结构是指文章的整体组织架构，它决定了文章内容的逻辑顺序和重点安排。
本文按照以下结构进行组织和叙述：1. 引言在引言部分，将给出光电化学的概述，简要介绍光电化学的基本概念和研究领域。
同时，说明本文的结构和目的，为读者提供清晰的阅读框架。
2. 正文2.1 光电化学的定义在这一部分，将对光电化学的定义进行详细阐述。
介绍光电化学是研究光与物质相互作用引起的电化学现象的学科。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（b）受主与P型半导体的能带
图10.3施主能级和受主能级
电化学原理
10.1.2半导体中的状态密度与载流子的分布
半导体中起主要作用的是靠近EC的电子和靠近EV的空穴。通常， 导带底和价带顶的状态密度函数Z(E)随电子能量E关系为：
Z E4V2m n*3/2EEC1/2
C
h3
Z E4V2mp*3/2EVE1/2
n 少子（电子）浓度
n
2 i
0
NA
掺杂后半导体的费米能级
EFEVklnN NV A
EC
EF
EV
（c）P型半导体能带结构
电化学原理
10.2半导体/溶液界面的结构与性质
10.2.1半导体/溶液界面的结构与性质
1、半导体/溶液界面接触时的能带结构
动态平衡
EF EF0O / R
电化学原理
E电子能量
电化学原理
2、半导体中的空间电荷层、电位分布与能带弯曲
界面
空间电荷层
OHP
⑴空间电荷层
+-
+ +
++-
-
+- - -
++
++-
+ +-
-
-
-
+
+-
+ +- -
++-
-
x
l s c N型半导体 0
溶液
（a）空间电荷层
电化学原理 ⑵电位分布与能带弯曲的方向和程度
①电位分布与能带弯曲的方向取决于初始 的相对位置。
ni2
NCNV
expkETg
ni2 n0 p0
电化学原理
2、掺杂半导体的费米能级与载流子浓度
⑴N型半导体
施主浓度
载流子浓度 n0 ND
空穴浓度
p ni2
0
ND
掺杂后半导体的费米能级
EC
EF
EV
（b）N型半导体能带结构
EFE CkTlnN N C D
⑵P型半导体
电化学原理
载流子浓度
p0 NA
电化学原理 2、耗尽层的特点
N型半导体与溶液接触时，当不施加外电场时通常形成耗尽层。
空间电荷层
空间电荷层
x
l sc
B
0
EC EF
E C .s
EV
x
E V .s
l sc
(c)耗尽层
3、反型层
电化学原理
N型半导体和表面能量差进一步增加时，电极/溶液界面处的 能带弯曲进一步加大，形成所谓的反型层。
空间电荷层
①电子
②空穴
电化学原理 2、本征半导体、施主能级、受主能级、N型和P型半导体
不含任何杂质，没有缺陷的半导体称为本征半导体 能够向半导体导带中提供电子的杂质原子称为施主能级
能够接受或捕获半导体价带中电子的杂质原子称为受主能级
电化学原理
EC
EC
+ + + + ED
EA
EV
EV
（a）施主与N型半导体的能带
电化学原理 1、本征半导体的费米能级与载流子浓度
本征半导体的电子浓度与空穴浓度相等，即满足
n0 p0
本征半导体的费米能级
ECEV kTlnN NV C
E F
2
2
EC
EF
EV
（a）本征半导体能带结构
电化学原理 本征半导体的载流子浓度
n in 0p 0N C N V1 /2ex p 2k E T g
E
空间电荷层
E C .s EC
EF
E V .sE0 F NhomakorabeaO
/
R
EV
N型半导体 0 溶液 (c)能带弯曲
电化学原理
10.2.2空间电荷层的不同表现形式
空间电荷层的存在是半导体电极界面结构的一个最基本特征。 通过对半导体电极施加外电势，可以对其空间电荷层进行调节。不 同电极电位及其引起的能带弯曲不同，可以导致三种形式的空间电 荷层。
0
EF , EFO / R
由于标度不同，电位标的正方向与电子能级标的正方向恰恰相反。
②实际上界面还有吸附离子，表面态等形成剩余电荷，作为半 导体/溶液界面双电层的其他来源。
电化学原理
空间电荷层
OHP
x
l s c N型半导体 0
溶液
（b）界面电位分布
电化学原理
③ “自发”形成的双电层结构，同金属电极一样，也可以由 外电源充电形成界面双电层。此时界面结构与能带弯曲取决于充电 形成的电极电位。
电化学原理
第10章半导体电化学与光电化学基础
10.1半导体的基本性质
10.1.1半导体的能带结构简介
1、半导体中的能带结构及载流子种类
电化学原理 ⑴半导体中的能带结构
能带
导带 禁带 价带
图10.1价带、导带和禁带
能带
电化学原理
EC Eg
EV
图10.2价带中的电子被激发到导带
电化学原理 ⑵半导体中的载流子
y e 0 S k T B ,S0 ,B B
电化学原理
SCH1
B
B S
S
x 半导体
H
1
溶液
图10.8半导体/溶液界面的电位分布
EC
EF
E
0 F
O
/
R
EV
N型半导体 溶液
E电子能量 E C .s
EC
EF
E
0 F
O
/
R
E V .s
EV
N型半导体 溶液
(a)溶液接触前
(b)溶液接触后
图10.5N型半导体与溶液接触前后能带的变化
电化学原理
EFEF0O/R
平
e0
N型半导体能带从本体到表面向上弯曲。同理， P型半导体能 带一般从本体到表面向下弯曲。
V
h3
电化学原理
半导体在热平衡状态下，电子按Fermi-Direc分布规律分布在 不同量子态上，即某一量子态被电子或空穴占据的几率分别为：
F E 1
exp
EEF kT
1
1FE1expE1 kT EF1
电化学原理 导带中电子浓度为：
n0N CexpEC kT EF
导带中的有效状态密度
空间电荷层
EC
x
l sc
B
0
EF EV
E C .s
x
E V .s
l sc
(d)反型层
4、平带
x B
l sc
电化学原理
EC EF
0
EV
x
l sc
E C .s
E V .s
(b)平带
电化学原理
10.2.3半导体/溶液界面的电位分布
1.半导体/溶液界面半导体一侧空间电荷层的电位分布
d d x 8n sickTeyey2 1/2
3/ 2
2 2mn*kT
N C
h3
电化学原理 价带中空穴浓度为：
p0NVexpEVk TEF
价带中的有效状态密度
3/ 2
2 2mp*kT
N V
h3
半导体载流子的浓度积为：
n 0 p 0 N C N V e x p E C k T E V N C N V e x p k E T g
1、积累层（富集层）及其特点
电化学原理 ⑴电位和能带弯曲
空间电荷层
x B
0
l sc
EC
EF EV
x
l sc
空间电荷层
E C .s
E V .s
(a)积累层
电化学原理 ⑵空间电荷层载流子分布服从Boltzmann统计规律
nxn0expe0 k T
pxp0expe0 k T
⑶积累层中，负的空间电荷是由于过剩的导带电子组成，故此层载 流子类型与本体相同，但浓度更高，因此其导电性明显增加。