BiFeO 3 基薄膜的铁电光伏效应研究

发布时间：2024-06-02 05:42

　　BiFeO₃(BFO)作为一种室温下的单相多铁材料,具有简单钙钛矿结构,其中氧八面体绕着体对角线轴转动一定的角度,形成一种偏离理想钙钛矿结构的斜方结构。作为铁电材料,BiFeO₃的开路电压不受材料禁带宽度限制,大小与其体光伏效应密切相关,表现出与传统p-n结型光伏器件不同的机制,由于其在新型光电子器件应用领域(如太阳能电池)的巨大潜力,已成为学术界关于铁电材料物理和应用研究的一个热点。但是人们在研究BFO薄膜的光伏效应时发现,导致该效应的物理机制往往非常复杂,例如薄膜较厚时不可忽视的体光伏效应、薄膜中复杂畴结构的畴壁、电极/BFO界面处的肖特基结、极化导致的退极化场或者是薄膜内部的结构缺陷都可能会对光伏有一定的贡献。BiFeO₃材料具有较高的剩余极化强度和较低的带隙宽度(2.6-2.7eV),高的剩余极化强度意味着体光伏效应和退极化场贡献的光伏效应更显著,合适的带隙宽度也使得其能有效吸收可见和紫外光,因此它是一种不可多得的制备光伏器件的材料,同时BFO薄膜与其他材料的结合也可以提高光伏。于是本文通过实验、理论和建模的方法...

【文章页数】：65 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究意义
    1.2 铁电光伏效应机理
        1.2.1 体光伏效应
        1.2.2 畴壁效应
        1.2.3 肖特基结
        1.2.4 退极化场
        1.2.5 缺陷氧空位
    1.3 铁电材料中的电流传导机制
        1.3.1 热激发电子电导(Thermal Electric Conduction)
        1.3.2 Poole-Frenkel(PF)导电机制
        1.3.3 空间电荷限制电流(SCLC)模型
        1.3.4 肖特基发射模型(Schottky Emission)
    1.4 铁电光伏效应研究现状综述
    1.5 本文的主要研究内容
第2章 实验研究方法
    2.1 薄膜制备与表征方法
        2.1.1 实验所需试剂和材料
        2.1.2 实验所需设备
        2.1.3 溶胶凝胶法
        2.1.4 磁控溅射法
        2.1.5 薄膜材料表征方法
    2.2 铁酸铋第一性原理仿真
        2.2.1 Materials studio软件
        2.2.2 第一性原理计算
    2.3 光伏器件模拟仿真方法
        2.3.1 COMSOL软件
第3章 薄膜材料的制备和表征
    3.1 溶胶凝胶法制备铁酸铋薄膜
        3.1.1 前驱体凝胶的制备
        3.1.2 旋涂法制备铁酸铋薄膜
    3.2 铁酸铋薄膜的表征
        3.2.1 X射线衍射(XRD)
        3.2.2 透射光谱
    3.3 磁控溅射法制备Cu₂O薄膜
    3.4 Cu₂O薄膜表征
        3.4.1 X射线衍射(XRD)
        3.4.2 原子力显微镜(AFM)
        3.4.3 透射光谱
        3.4.4 霍尔效应
    3.5 本章小结
第4章 铁酸铋第一性原理研究
    4.1 理论计算方法
        4.1.1 Hartree-Fock近似
        4.1.2 密度泛函理论
        4.1.3 交换相关泛函
    4.2 晶体建模和参数设置
    4.3 铁酸铋电学性质
        4.3.1 态密度
        4.3.2 能带
    4.4 铁酸铋光学性质
    4.5 本章小结
第5章 铁酸铋基光伏器件模拟仿真
    5.1 模拟步骤
        5.1.1 几何建模和材料填加
        5.1.2 多物理场设置
        5.1.3 研究求解器配置
    5.2 三明治结构器件光伏效应
    5.3 BFO/Cu₂O复合薄膜器件光伏效应
    5.4 本章小结
结论
参考文献
致谢



本文编号：3986938