【摘 要】
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在传统能源日益紧缺的现状下,光伏技术在现代工业中已经显示出明显的优势,它可以利用光电或光化学的方法将太阳光的能量转化为电能。近年来,铁电氧化物以其不受带隙限制的开路电压和反常的光伏响应受到研究者的青睐。铁电氧化物所表现出的宏观极化可以为光生载流子的分离提供固有的内建电场,使得材料在不施加偏压的情况下可以检测到光电转换信号。但是常见的铁电氧化物都是绝缘体,拥有宽带隙且导电性差,导致其光生电流的强度低
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在传统能源日益紧缺的现状下,光伏技术在现代工业中已经显示出明显的优势,它可以利用光电或光化学的方法将太阳光的能量转化为电能。近年来,铁电氧化物以其不受带隙限制的开路电压和反常的光伏响应受到研究者的青睐。铁电氧化物所表现出的宏观极化可以为光生载流子的分离提供固有的内建电场,使得材料在不施加偏压的情况下可以检测到光电转换信号。但是常见的铁电氧化物都是绝缘体,拥有宽带隙且导电性差,导致其光生电流的强度低,光电转换的效率也急需进一步提高。为了解决这一难题,本文选择常见的两种铁电材料Bi Fe O3（BFO）和Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）作为基底材料,利用溶胶凝胶法通过固溶和掺杂等实验手段对薄膜的结构和性能进行调控,提出相应的铁电光伏性能增强机理。本文的具体研究内容包含以下几个方面:1.利用溶胶凝胶法制备了性能良好的Bi Fe O3-Bi Mn O3-Eu固溶体薄膜。基于Mn-O八面体的Jahn-Teller效应,在薄膜中构建了晶格补偿结构。在晶格补偿结构中通过A位元素掺杂,来调节B位氧八面体的Jahn-Teller畸变,这样不仅加剧了晶胞正负电荷中心的不对称,增强了极化,而且使得能级重构,缩小了带隙。上述过程打破了极化和带隙之间的相互制约关系,实现了这两个决定铁电光伏性能关键因素的同步改善,获得了窄的带隙（2.24 e V）和大的剩余极化（93.7μC/cm~2）。同时,开路电压和短路电流分别提高了4.6倍和2.7倍,表现出显著的铁电光伏效应,与近年来的相关研究相比,具有可与之相媲美的光伏性能。这项工作为铁电光伏薄膜在突破极化强度和带隙之间不利耦合的道路上提供了设计思路。2.在Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）薄膜中引入变价金属氧化物Sr Co O3（SCO）,通过固溶比例的调节,改变薄膜的晶格结构和氧空位浓度,诱导出良好的光伏效应和明显电阻转换行为。随着薄膜中Co元素价态由Co4+到Co3+的逐渐转变,晶体结构发生了由八面体场向四面体场的转变,增强了极化;价态的转变使得晶体场分裂,不仅在导带和价带之间产生杂质能级,还会使得Co-O之间的杂化能力减弱,减小了带隙。在固溶比例为0.05的薄膜中获得了优异的光伏性能,其开路电压和短路电流分别达到0.81 V和23.52μA/cm~2,这在NBT基材料中是极为罕见的;在固溶比例为0.07的薄膜中诱导出了明显的电阻转换行为。为提升光伏性能和诱导电阻转换行为提供了可行的策略。
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