Fe掺杂对KTN晶体铁电及光伏性能的影响

发布时间：2020-07-28 21:04

【摘要】：能源短缺、环境污染是可持续发展道路上亟待解决的重要问题,利用清洁、可再生能源是解决这些问题的重要方案,新型光电功能材料的研发是实现太阳能高效利用的重要途径。铁电光伏效应因其具有不受材料禁带宽度限制的开路电压,得到了研究者们的广泛关注。并且,铁电体光伏材料的光伏性能对材料的极化状态具有明显的依赖性,为可控性器件的设计提供了更好的选择。常见的钙钛矿铁电体材料普遍具有禁带宽度大(3 eV)的特点,这极大限制了铁电光伏材料的研究,因此降低材料的禁带宽度是铁电光伏材料研究的首要问题。对于钙钛矿铁电材料而言,通过过渡金属离子掺杂降低材料的禁带宽度是最为常见的方案。然而,价态不匹配离子掺杂会使材料引入氧空位等结构缺陷,缺陷对材料的铁电性能有明显的影响、对性能调控有着重要作用。铁电性能是铁电光伏效应的基础,同时材料的极化状态是调控铁电体光伏性能的关键。因此,过渡金属离子掺杂对钙钛矿材料铁电性能的影响研究是必要的。实现铁电体材料的光伏性能常见的方式是构建具有电极/铁电体/电极的“三明治”结构的铁电体光伏器件。这类器件中,电极与铁电体的相互作用会明显影响铁电体光伏性能,尤其在极化过程中电极与铁电体的相互作用会进一步发生变化。因此,对光伏器件的物理机制研究同样有着重要意义。本研究中选择Fe掺杂钽铌酸钾晶体(Fe-KTN)晶体作为研究对象,针对以下四个科学问题展开研究:1、Fe掺杂对KTN晶体铁电性能的影响及调控作用;2、Fe掺杂对KTN晶体中畴结构取向过程的影响;3、Fe掺杂对KTN晶体禁带宽度的调控作用;4、以Fe-KTN晶体为基础构建铁电体光伏器件,对器件的光伏性能及电极与Fe-KTN晶体界面间相互作用的物理机制进行分析。本文首先对四方相Fe-KTN晶体的铁电性能进行了系统的研究。对Fe-KTN晶体中特殊的双电滞回线的产生机制进行分析,提出缺陷偶极子对畴结构的束缚作用和恢复力作用机制。解释了原始状态和退火、老化后的Fe-KTN晶体具有不同固有宏观极化的原因。通过改变铁电测试中的电场条件,实现了Fe-KTN晶体双电滞回线的可控演化,发现了缺陷偶极子对外电场响应的特征。研究了Fe掺杂量对Fe-KTN晶体铁电性能及畴结构翻转过程的影响作用。首先通过铁电测试,分析了不同掺杂量Fe-KTN晶体中缺陷偶极子的束缚作用、恢复力作用及对外电场响应情况的变化。然后,利用偏光显微镜成像对Fe-KTN0.15和Fe-KTN1晶体中畴结构对外电场响应过程进行了分析。最后,提出了晶体中有极性缺陷偶极子和无极性缺陷结构共存,且缺陷结构类型随掺杂量转变的模型,对不同掺杂量的Fe-KTN晶体的铁电性能及畴翻转过程进行了解释。研究了Fe-KTN晶体中畴结构的本征取向特性及缺陷偶极子对晶体有序性的影响机制。首先,利用介温谱测试及Fr?ohlich熵对Fe-KTN晶体在升降温过程中的有序性进行分析,发现缺陷偶极子对晶体畴结构的束缚作用是维持晶体有序性的原因,分析了束缚作用随温度变化的情况。同时,通过铁电测试、偏光显微镜成像分析了Fe-KTN晶体的本征取向特性。最后,对极化、老化后的Fe-KTN晶体进行变温铁电性能测试,发现变温过程中缺陷偶极子能够在电场作用下恢复对畴结构的取向作用。研究了Fe掺杂对KTN晶体的禁带宽度的调控作用,并从能带结构的角度出发对禁带宽度降低的机制进行了分析。然后,以Fe-KTN晶体为基础,构建了具有ITO/Fe-KTN/Ag结构的Fe-KTN晶体光伏器件,并对器件的光伏性能进行测试,实现极化可翻转的铁电光伏性能。最后,提出Fe-KTN晶体光伏器件中退极化场与界面势垒共存模型,Fe-KTN晶体光伏器件所表现出的可极化翻转光伏性能是两种内置电场耦合作用的结果。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM221;TB34
【图文】：

第 1 章 绪 论图 1.1(a)所示，当光子能量不低于半导体禁带宽度的入射光照射半子吸收光子能量被激发至导带，同时在价带处形成空穴，即产生电生载流子的形成过程与半导体内部能带结构密不可分，禁带宽度决定用太阳光的频率范围。2）光生电势差的产生过程-n 结结构是由 n 型半导体与 p 型半导体紧密接触构成的。n 型半导体载流子，其浓度远大于空穴，而 p 型半导体中载流子浓度情况则与之半导体紧密接触，由于载流子的浓度差异，载流子会自发扩散，分别 型区内靠近界面处积累空间电荷，最终形成一个由 n 型区指向 p 型（Ebi），如图 1.1(c)所示。在内建电场的作用下，光生电子-空穴对相反方向移动至材料表面，从而形成光生电势差。当 p-n 结两端被导便会有光生电流产生。

路电压较低（理论上，一般不到 1V）的特点，铁电材压可远大于材料的禁带宽度，因此铁电体光伏材料的能 p-n 结半导体。同时，铁电体光伏材料中产生的光生短极化状态具有明显的依赖性，为可控性器件设计提供了铁电光伏效应的研究并不是一个新鲜的课题。早在上世发现 BaTiO3单晶中稳定的光生电压现象[1]，研究表明密切相关，铁电体中特殊的光伏效应走进了人们的视野iTaO3晶体[53]的研究中也证实了这一特殊光伏效应的存在在某些铁电材料中发现反常的光伏效应，巨大的光生电 62]，不再受到材料禁带宽度的限制，并且光生电压能够由于光电流十分微弱，并且其中的物理机制尚不明确，到研究者们的重视。直到 2009 年，ChoiT 等人[2]在 BiF发现铁电光伏效应可翻转的特性。至此，铁电光伏效应焕发出新的活力。虽然铁电光伏效应经历了多年的研究仍不十分清晰。

量特征[66-68]。Sturman 和 Fridkin 在位移电流模型的基础上提出了铁电光伏效应的三阶张量模型[69]。通过对张量模型的讨论，能够很好地解释铁电光伏效应中光生电流与入射偏振光的方向的关系。然而，在位移电流张量模型中分析得到的光生电流方向与其他效应所引起的光生电流方向相反，利用该模型也不能完善的解释现阶段的铁电光伏效应的所有特征。虽然部分研究工作表现出铁电光伏效应是多种效应耦合作用的效果，但是现阶段仍不能对铁电效应的微观机制给出完美的解释。1.3.2 畴壁光伏效应对铁电光伏效应的微观机制研究一直是该领域研究的重点及难点。现阶段所公认的理论是基于铁电体固有的“内建电场”即退极化场的存在，使得光生载流子可在材料内部得以定向分离，从而达到光电能量转换的目的。然而，这一层面的理论解释还未深入到铁电体内部畴及畴壁的结构层次，内建电场的量级、分布情况，以及内部载流子的输运情况等仍是不清晰的，因此针对体光伏效应的机制探讨仍是不完善的。随着微加工技术和微尺度探测技术的进步，才使得在畴及畴壁尺度对铁电光伏效应的探索成为可能。

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 刘U

本文编号：2773436