铁酸铋基铁电薄膜的制备工艺及光伏效应的研究

发布时间：2020-03-22 07:18

【摘要】：太阳能作为一种清洁的可再生能源,如果能将其有效利用必定会解决环境污染以及资源短缺等问题,光伏材料的开发也因此成为一个研究热门。铁电光伏材料因其具有窄带隙、低成本、载流子传输性好、化学和热稳定性高等优点在光伏领域有着广泛的应用前景。铁电光伏效应中光激发载流子的分离由铁电极化驱动,所产生的光电压不会受制于晶体的禁带宽度。BiFeO_3(BFO)因其具有大的剩余极化(90μC/cm~2)以及相对较窄的带隙(2.7 eV)在光伏研究领域得到了极大的关注。本文研究了B位掺杂的BFO基铁电薄膜的光伏特性,并对得到的Bi_2FeMo_xNi_(1-x)O_6(BFMNO)薄膜在室温下的铁电性能、光学性能、介电性能、漏电性能以及光伏性能等进行了研究。这项工作提供了提高铁电光伏薄膜光伏性能的策略并对光电应用中铁酸铋材料的开发提供了一条有前景的可行途径。通过溶胶凝胶法在Si基底上制备了Mo、Ni共掺杂的平行结构的Bi_2FeMo_xNi_(1-x)-x O_6(x=0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.75)铁电薄膜,薄膜在400-650 nm的可见光范围内具有宽吸收带。随Mo含量的增加光学带隙从2.19降低到2.07 eV,所制备的BFMNO薄膜具有自极化行为,导致薄膜中自极化场和内建场的形成,窄的带隙和强的铁电自极化对光伏效应的提高具有至关重要的作用,其中x=0.7的薄膜在110 mW/cm~2的光照下具有5.41 V和71.07μA/cm~2的最佳开路电压(V_(oc))和短路电流(J_(sc)),此外薄膜的光伏效应在高温环境下也表现出良好的稳定性。基于以上最优组分的确定,通过溶胶凝胶法在Pt基底上制备了具有垂直电极结构(Au/BFMNO/Pt)的不同厚度(570、640、700、770 nm)的Bi_2FeMo_(0.7)Ni_(0.3)O_6铁电薄膜,在此,提出了一种改善薄膜光伏性能的方法。通过薄膜的厚度来实现光伏性能的调控。基于此概念,研究了不同厚度Bi_2FeMo_(0.7)Ni_(0.3)O_6铁电薄膜的光伏性能。发现短路电流随着膜厚度的增加先增加然后减小,特别是d=700 nm的薄膜具有最佳J_(sc),在110 mW/cm~2的光照条件下,J_(sc)=0.09 mA/cm~2,V_(oc)=0.38 V。结果表明,光伏性能的进一步改善归因于由厚度调节引起的可调谐的有利带隙(2.0 eV)、高吸收和强的自极化。此外,我们的研究表明,分离和传输光激发载流子的主要驱动力是退极化场(E_(dp)),而界面处的内置电场(E_(bi))只起微弱的作用。利用溶胶凝胶法在柔性镍箔基底上制备了具有垂直电极结构(Au/BFMNO/LNO/Ni)的Bi_2FeMo_(0.7)Ni_(0.3)O_6柔性铁电薄膜,探究了不同应力作用下薄膜光伏性能的变化。不同曲率下弯曲的薄膜光伏性能有微小的变化,随着弯曲半径的减小(15~5 mm),开路电压大约为V_(oc)=0.7 V,短路电流由J_(sc)=8.02μA/cm~2下降到J_(sc)=4.05μA/cm~2,这可能是由于应力对铁电材料的极化产生微弱的影响所致。所制备的Bi_2FeMo_(0.7)Ni_(0.3)O_6柔性铁电薄膜的机械稳定性较好,在多次循环弯曲下,光伏性能的变化较小。此外,柔性铁电薄膜的光电流方向能够随着极化方向的改变而转换,这个独一无二的特性拓宽了柔性铁电光伏材料的应用领域。
【图文】：

电滞回线,外电场,盐晶,类晶体

内蒙古科技大学硕士学位论文 Valasek 发现罗息盐晶体在外电场 E 的作用下极化强人们把这类晶体体称为铁电体。随后研究人员相继，PbTiO3，LiNdO3等晶体。无机钙钛矿型结构（AB电、介电、铁电、压电、热释电、多铁等耦合性质围内铁电体能够发生自发极化且其极化方向会随外的一个重要特征。当去除外电场后极化方向仍然不后于外电场 E，呈现出 P 是 E 的双值函数，即 P 与 1.1 所示。

形成机理,漂移运动,电子,势垒

内蒙古科技大学硕士学位论文方向由 n 区指向 p 区，内建电场的存在使电子和空穴发生漂移运动。导致空间电荷区能带发生弯曲，形成势垒，费米能级也被拉平，，如图 1.2（b）所示，因此电子由 n区向 p 区的扩散，以及空穴由 p 区向 n 区扩散都要克服这个电势差，势垒的形成阻碍了电子和空穴的扩散。这样当载流子的漂移运动和扩散运动达到动态平衡时，构成平衡 p-n 结。
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM221;TB383.2

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