PZT-BFCO纳米复合膜的制备及铁电光伏特性研究

发布时间：2017-09-30 19:25

  本文关键词：PZT-BFCO纳米复合膜的制备及铁电光伏特性研究

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【摘要】：当具有非对称中心的铁电材料处于均匀的光照下时,会产生反常光伏效应,即光生开路电压可以超过禁带宽度的限制,所以,铁电材料的光电转换效率有希望超过传统半导体。尽管如此,目前铁电薄膜产生的光生电流依然很小,效率还不够高,转换机制还有待深入地研究。本论文选取具有较强剩余极化强度的Pb(Zr Ti)O3(PZT)材料作为研究对象,通过掺入窄禁带宽度的Bi2FeCrO6(BFCO)相来增加少数载流子浓度,以达到提高短路电流和光伏转换效率之目的。本文的主要研究内容如下:一、通过固相反应法在1100℃左右成功制备了纯相的PZT靶材。采用射频磁控溅射制备出ITO透明导电薄膜作为铁电薄膜的上电极。研究了不同工艺条件包括溅射功率、基底温度、溅射气压等对ITO薄膜电极方块电阻和透光率的影响。得到的ITO薄膜电极方块电阻阻值在1.5Ω/□左右,当入射光波长在400nm以上时,其透光率达到了80%以上。二、采用90°离轴磁控溅射法,在STO(100)取向的单晶基片上制备了PZT薄膜。通过对氩氧比、基底温度等工艺条件的摸索,获得了具有的良好外延结构的PZT薄膜。铁电性能的测试结果表明:PZT外延薄膜的饱和极化强度Ps为30?C/cm2,两倍剩余极化强度2Pr为20?C/cm2。三、采用共溅射方法在Nb掺杂SrTiO3基片上制备出了PZT-BFCO纳米复合膜。XRD测试结果显示随着BFCO掺杂含量的增多,PZT峰强逐渐减小,当掺杂较多时会有杂相生成。AFM的形貌测试结果显示BFCO掺杂含量的增多会造成薄膜的晶粒的不均匀,缺陷增多。铁电性能和漏电流测试结果表明:在PZT外延薄膜中随着掺入BFCO相的增多,会导致其剩余极化强度和饱和极化强度减小,漏电流增大。四、对ITO/PZT-xBFCO/Nb:STO太阳能电池的光电性能分析显示,BFCO相的掺入有效地提高了PZT膜的光生短路电流和开路电压。最佳的光电性能为:VOC=0.41V,JSC=0.72?A/cm2,比纯相PZT薄膜的Jsc(0.087?A/cm2,)提高了一个数量级。这是因为BFCO的禁带宽度在1.4-2.7eV左右,在光照下能提供更多的非平衡载流子。但从不同厚度、不同极化状态的薄膜的研究发现,由于剩余极化强度较低,界面肖特基势垒对非平衡载流子的分离起主要作用,退极化电场的作用较小。
【关键词】：铁电薄膜 反常光伏效应 肖特基势垒 纳米复合
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 铁电材料与铁电薄膜10-11
• 1.1.1 铁电材料10-11
• 1.1.2 铁电薄膜11
• 1.2 光伏效应11-13
• 1.2.1 传统光伏效应11-12
• 1.2.2 铁电光伏效应12-13
• 1.3 铁电薄膜光电特性的研究进展及意义13-17
• 1.3.1 研究进展13-16
• 1.3.2 研究意义16-17
• 1.4 本论文主要工作17-18
• 第二章 样品的制备、结构及性能表征方法18-31
• 2.1 样品制备18-22
• 2.1.1 固相反应法制备靶材18-20
• 2.1.2 离轴磁控溅射20-22
• 2.2 结构测试22-25
• 2.2.1 XRD测试(X-Ray Diffraction)22-24
• 2.2.2 原子力显微镜测试(Atomic Force Microscope)24-25
• 2.3 性能测试25-31
• 2.3.1 铁电性能P-E测试25-26
• 2.3.2 明暗场开关测试26-27
• 2.3.3 明暗场伏安测试27-28
• 2.3.4 紫外吸收光谱测试28-29
• 2.3.5 椭偏仪测量29-31
• 第三章 ITO电极和PZT薄膜制备31-40
• 3.1 ITO电极制备31-33
• 3.1.1 ITO薄膜的导电性31-32
• 3.1.2 ITO薄膜的透光性32-33
• 3.2 PZT薄膜的制备及结构分析33-36
• 3.3 PZT-BFCO薄膜的制备36-39
• 3.3.1 PZT-BFCO薄膜的结构分析37-38
• 3.3.2 PZT-BFCO薄膜的形貌分析38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第四章 PZT-BFCO纳米复合膜的光电特性研究40-52
• 4.1 PZT-BFCO薄膜的铁电性能40-41
• 4.2 PZT-BFCO暗场漏电流分析41-42
• 4.3 PZT-BFCO光电性能42-49
• 4.3.1 PZT-BFCO纳米复合膜的ON-OFF特性曲线42-45
• 4.3.2 PZT-BFCO纳米复合膜的I-V特性曲线45-46
• 4.3.3 膜厚对纳米复合膜的影响46-48
• 4.3.4 极化对纳米复合膜的影响48-49
• 4.4 PZT-BFCO薄膜的禁带宽度49-50
• 4.5 样品的能带结构模型50-51
• 4.6 本章小结51-52
• 第五章 结论与展望52-54
• 5.1 结论52-53
• 5.2 展望53-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-60
• 攻硕期间取得的研究成果60-61

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本文编号：949980