Bi3.15Nd0.85Ti3O12铁电薄膜的光伏效应

• 作 者: 晁玉明
• 机 构: 湘潭大学
• 出 处: 湘潭大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: BNT铁电薄膜 光伏效应 退火条件 极化状态 光照条件

铁电薄膜作为一种光伏替代材料,在未来光伏应用方面展现出了巨大的潜力。近年来,铁电光伏效应以独特的电子-空穴分离方式和高的开路电压等特点使铁电光伏研究逐渐复苏并引起研究者极大兴趣。然而到目前为止,尽管人们对铁电光伏效应已经开展了一系列的研究,但是铁电光伏效应的机理依然存在争议。本文采用溶胶-凝胶法制备了Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)铁电薄膜,探讨了薄膜退火条件、薄膜极化状态、入射光照条件对BNT铁电薄膜光伏响应的影响,主要研究工作和结果如下:1.退火条件对BNT铁电薄膜光伏响应的影响在不同的退火条件(退火温度分别为600°C、650°C和700°C;退火气氛分别为氮气、氧气和空气)下制备了BNT铁电薄膜,并对其微观结构、电学性能及光伏效应进行了测试和分析。实验结果表明,所制备的BNT铁电薄膜具有良好的结晶性能,表面致密无裂纹。当退火温度从600°C增加到700°C,薄膜晶粒尺寸逐渐变大,铁电性增强,短路电流密度(Jsc)基本没有变化,开路电压(Voc)从-1 V减小到-0.5 V。随着退火气氛中的氧气含量的增加,薄膜晶粒尺寸变化不大,铁电性增强,Jsc从2.5μA/cm2增加到4μA/cm2,Voc从-0.35 V增加到-0.43 V。2.极化状态对BNT铁电薄膜光伏响应的影响对不同极化状态下的BNT铁电薄膜进行了暗、光J-V曲线测试和分析。实验结果表明,短路电流的方向与极化电场方向相反。随着外加电场的增大,Jsc逐渐增大并趋于饱和,Voc变化不大。此外,分析表明极化电场对于BNT铁电薄膜光伏响应的贡献远大于薄膜与上下电极间不同肖特基势垒导致的电场对BNT铁电薄膜光伏响应的影响。3.光照条件对BNT铁电薄膜光伏响应的影响通过对光照强度、入射光波长和光照时间的控制,研究了光照条件的改变对BNT铁电薄膜光伏响应的影响。实验结果表明,随光照强度的增加,Jsc呈线性趋势增加,而Voc基本不变。当光子能量大于2.8 eV时,Jsc迅速增加并在3.37 eV时达到最大,刚好对应BNT铁电薄膜的禁带宽度(Eg≈3.3 eV)。当紫外光照射于BNT铁电薄膜表面时,光电流会出现一个瞬态峰值,随着时间的推移,光电流会在极短的时间内达到一个恒定值。