基于铁电薄膜太阳能电池的性质研究

【摘要】：由于铁电薄膜材料具有良好的铁电性、热释电性、压电性、电光以及非线性光学特性,被广泛应用于存储器、压力传感器、制动器等电子器件中;由于铁电材料的制备工艺简单、成本低等特点倍受青睐,所以近年来铁电材料成为国际上新型功能材料研究的热点之一。最近,如Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、(Bi,Nd)4Ti3O12(BNT)、Ba Ti O3以及Bi Fe O3(BFO)铁电体的光伏机制引起广泛的关注。许多小组在研究铁电光伏效应以及提高基于铁电的太阳能电池的光伏输出。据公开报导,BFO被报道拥有最大的开路电压(Voc,大于15V),然而,BFO的短路电流(Jsc)非常低(大约μA/cm2量级)。迄今为止,在以铁电为基础的太阳能电池中,由于拥有大的剩余极化以及在薄膜电极界面处高的肖特基势垒,PZT薄膜具有最大的光电转换效率(η)。然而,报道的纯PZT的最大转换效率(约0.01%)依然远远小于晶体硅太阳能电池的转换效率,这主要是因为铁电体的导电性能差和禁带宽度大的原因。本文主要工作包括以下两个方面:(1)为了提高典型的宽带隙铁电材料在可见光波段有光谱响应,我们尝试将能级匹配的半导体材料和铁电薄膜材料复合起来。具体方法如下:在In2O3:Sn(ITO)玻璃上制备禁带宽度3.6e V的PZT薄膜,然后将窄禁带宽度(1.8e V)的非晶硅(a-Si)沉积在PZT/ITO/glass上,Ag作为上电极。实验结果显示,非晶硅薄膜与PZT薄膜的能级能很好地相匹配,有利于紫外可见光照诱导Ag/a-Si/PZT/ITO/glass样品中的电荷的传输。光伏输出可以通过改变非晶硅的掺杂类型调整,PZT薄膜和n型非晶硅薄膜(磷掺杂)复合结构最大的光电转换效率测量能达到1.25%。(2)离子掺杂被认为是一种很有效的方法来提高铁电薄膜的剩余极化和降低其结晶温度。本文中,我们研究了Cr3+离子的掺杂浓度对Pb(Zr0.2Ti0.8)O3铁电薄膜的微结构、铁电性和光伏特性的影响。我们的实验结果显示,当Cr3+离子浓度小于1%时(摩尔比),Cr3+离子作为受主掺杂代替Ti4+离子,降低了剩余极化。然而,当Cr3+离子浓度大于1%时,Cr3+离子作为施主掺杂代替Pb2+离子,2Pr值迅速提高。当Cr3+离子浓度为3%时,2Pr值达到了124.44μC/cm2,这相当于PZT(无离子掺杂,45.15μC/cm2)的2.8倍。相应地,PCZT(Cr3+掺杂3%)的光伏输出相比于PZT的光伏输出高了约5倍。 【关键词】：铁电薄膜 PZT 光伏效应
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 引言10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 铁电材料10-13
• 1.3 铁电薄膜的光伏效应13-14
• 1.4 PZT材料的研究及应用14-15
• 1.5 PZT铁电薄膜的掺杂改性研究15-16
• 1.6 本论文的研究意义及研究内容16-18
• 参考文献18-20
• 第二章 样品的制备、结构及性能的表征20-36
• 2.1 样品的制备20-26
• 2.1.1 溶胶-凝胶法20-21
• 2.1.2 PZT前驱体溶液及薄膜的制备21-23
• 2.1.3 磁控溅射制备Pt、ITO电极与a-Si薄膜23-26
• 2.2 样品的微结构分析26-30
• 2.2.1 X射线衍射分析27-28
• 2.2.2 扫描电镜分析28-29
• 2.2.3 原子力显微镜分析29-30
• 2.3 样品的光学性质表征30
• 2.3.1 紫外可见吸收特性30
• 2.4 样品的电学性质研究30-32
• 2.4.1 铁电性能30-31
• 2.4.2 I-V特性31-32
• 2.5 样品的光伏特性的研究32-34
• 2.5.1 光照下的I-V特性32-33
• 2.5.2 入射单色光子-电子转换效率33-34
• 2.6 本章小结34-35
• 参考文献35-36
• 第三章 光电转换效率超过 1%的以Pb（Zr，Ti）O_3为基础的铁电太阳能电池36-56
• 3.1 引言36-37
• 3.2 样品制备以及结构37-38
• 3.3 a-Si薄膜对PZT薄膜的微观结构的影响38-52
• 3.3.1 PZT与a-Si/PZT样品的结构分析39-40
• 3.3.2 a-Si层对PZT薄膜的铁电性能的影响40-41
• 3.3.3 PZT和a-Si的禁带宽度41-42
• 3.3.4 a-Si对PZT的光伏影响机制42-52
• 3.4 本章小结52-54
• 参考文献54-56
• 第四章Cr~(3+)掺杂PZT薄膜的铁电性和光伏输出的提高56-67
• 4.1 引言56-57
• 4.2 制备样品57
• 4.3 PCZT的微观结构和铁电性质57-63
• 4.3.1 Cr~(3+)对PZT薄膜的微观结构的影响57-59
• 4.3.2 Cr~(3+)对PZT薄膜铁电性能和漏电流的影响机制59-63
• 4.3.3 PZT与PCZT样品的光伏效应63
• 4.4 本章总结63-65
• 参考文献65-67
• 第五章 总结67-68
• 攻读硕士学位期间发表的论文68-69
• 致谢69-70

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