表面光電壓是固體表面的光生伏特效應，是光致電子躍遷的結果。表面光電壓的研究始于20世紀40年代末諾貝爾獲獎?wù)?/span>Brattain和Bardeen的工作，之后這一效應作為光譜檢測技術(shù)應用于半導體材料的特征參數和表面特性研究上，這種光譜技術(shù)被稱(chēng)為表面光電壓技術(shù)（Surface Photovoltaic Technique，SPV）或表面光電壓譜（Surface Photovoltage Spectroscopy，簡(jiǎn)稱(chēng)SPS）。^[8,9]表面光電壓技術(shù)是一種研究半導體特征參數的極佳途徑，這種方法是通過(guò)對材料光致表面電壓的改變進(jìn)行分析來(lái)獲得相關(guān)信息的。1973年，表面光電壓研究獲得重大突破，美國麻省理工學(xué)院Gatos教授領(lǐng)導的研究小組在用低于禁帶寬度能量的光照CdS表面時(shí)歷史性的第一次獲得入射光波長(cháng)與表面光電壓的譜圖，并以此來(lái)確定表面態(tài)的能級，從而形成了表面光電壓譜這一新的研究測試手段。^[10,11]

SPS作為一種光譜技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：^[7]第一，它是一種作用光譜，可以在不污染樣品、不破壞樣品形貌的條件下直接進(jìn)行測試，也可測定那些在透射光譜儀上難以測試的光學(xué)不透明樣品；第二，SPS所檢測的信息主要反映的是樣品表層（一般是幾十納米）的性質(zhì)，因此受基底的影響較弱，這一點(diǎn)對于光敏材料表面的性質(zhì)及界面電子過(guò)程研究顯然很重要；第三，由于SPS的原理是基于檢測由入射光誘導的表面電荷的變化，因而其具有較高的靈敏度,大約是10⁸ q/cm²（或者說(shuō)每10⁷個(gè)表面原子或離子有一個(gè)單位電荷），高于XPS或Auger電子能譜等標準光譜或能譜幾個(gè)數量級。表面光電壓譜可以給出諸如表面能帶彎曲，表面和體相電子與空穴復合，表面態(tài)分布等信息，是在光輔助下對電子與空穴分離及傳輸行為研究的有力手段，是評價(jià)光催化材料活性的一個(gè)十分有效的方法。

那表面光電壓是如何產(chǎn)生的呢？當兩個(gè)具有不同功函數的材料接觸時(shí)，由于它們的化學(xué)勢不同，在界面附近會(huì )發(fā)生相互作用，電子會(huì )從費米能級高的物體向費米能級低的物體轉移。n型半導體的費米能級比金屬的費米能級高，因此當二者接觸時(shí)，半導體中的電子向金屬運動(dòng)，直至達到平衡狀態(tài)，從而在半導體表面形成電子耗盡層，使得表面能帶向上彎曲。相反的，p型半導體的費米能級比金屬的費米能級低，當二者接觸時(shí)，金屬中的電子向半導體運動(dòng)，半導體表面形成空穴耗盡層，使得表面能帶向下彎曲。在光照條件下，半導體將在其表面附近產(chǎn)生非平衡的載流子（電子或空穴），非平衡載流子在表面和體相內重新分布，并中和部分表面電荷，從而使半導體表面靜電荷發(fā)生變化。為了保持體系電中性，表面空間電荷區的電荷會(huì )發(fā)生重新分布，相應的表面勢發(fā)生改變。這個(gè)表面勢壘的改變量即為表面光電壓，它的數值取決于被測樣品表面靜電荷的變化。

能夠產(chǎn)生表面光電壓的光致電子躍遷主要有三種^[12]：帶－帶躍遷、亞帶隙躍遷及表面吸附質(zhì)向半導體的光致電荷注入。當入射光的能量大于或等于半導體的能隙寬度時(shí)，半導體吸收光子，電子從半導體價(jià)帶向導帶躍遷產(chǎn)生電子－空穴對，在表面勢的作用下，電子－空穴對發(fā)生分離，空間電荷重新分布，最終結果使得表面電荷減少，能帶彎曲變小，產(chǎn)生表面光電壓。而當入射光能量小于半導體能隙寬度時(shí)，將產(chǎn)生電子從價(jià)帶向表面態(tài)的躍遷或從表面態(tài)向導帶的躍遷，這種躍遷也會(huì )使表面電荷發(fā)生改變，引起表面能帶彎曲的變化，也可以產(chǎn)生表面光電壓。另外一種表面光電壓的產(chǎn)生過(guò)程與表面吸附質(zhì)有關(guān)，由于吸附在半導體表面的物質(zhì)能夠吸收光子并與半導體進(jìn)行直接或間接電荷交換，也能引起半導體空間電荷層電荷的變化，從而引起表面勢壘的變化，即產(chǎn)生表面光電壓。