《鐵酸鉍-鈦酸鉍鈉鐵電薄膜的光伏特性研究》是依託上海交通大學，由郭益平擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鐵酸鉍-鈦酸鉍鈉鐵電薄膜的光伏特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：郭益平
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鐵酸鉍(BFO)由於具有較低的禁頻寬度及較高的電子傳導特性，其薄膜在可見光的照射下可獲得非常優越的光伏效應,且不同的研究結果表明BFO的光伏效應與鐵電極化特性密切相關。顯然鐵電材料中的電子傳導與極化之間的關係對鐵電材料光伏效應具有重要的影響。鐵酸鉍-鈦酸鉍鈉（BFO-NBT）與BFO具有相當的鐵電極化特性並隨NBT含量的增加其剩餘極化減小而電子傳導性增加，因此其不僅可望具有優越的光伏效應，而且也是我們研究電子傳導與極化關係的理想材料。本次申請將製備高度取向或外延的BFO-NBT鐵電薄膜，研究NBT含量對鐵電薄膜光學吸收特性的影響，揭示BFO-NBT鐵電薄膜的電子結構。研究鐵電薄膜極化特性與電子傳導之間關係對光伏效應的影響，揭示鐵電材料光伏效應的主要形成機制，為發現具有優越光伏特性的鐵電材料提供理論和實驗依據。
結題摘要
本項目分別研究了BFO基固溶體薄膜，摻雜薄膜，菱方結構薄膜以及異質結薄膜的製備方法及光伏特性。通過本項目的研究，我們在FTO基板上製備獲得了具有優越光伏效應的BFO基鐵電薄膜，弄清了鐵電薄膜極化特性與電子傳導之間關係對光伏效應的影響，揭示了鐵電多晶薄膜中光伏效應的主要形成機制，項目基本按原計畫進行，並圓滿地完成了項目的預期目標。主要研究結果包括：（1）發現薄膜帶隙的增加及其中氧空位的減少不利於光伏效應的增加；使用DMF作為溶劑在FTO基板上製備出了具有菱方結構的BFO薄膜，並發現菱方結構薄膜因具有比假立方結構薄膜更窄的帶隙而使其光伏效應顯著增加。（2）首次發現氧空位和鐵電極化都可以誘導可反轉的二極體及光伏效應。對於氧空位含量高的樣品，氧空位可以在遠低於矯頑場的作用下發生電遷移而誘導可反轉的二極體及光伏效應；而對於氧空位含量低的樣品，則只有發生極化反轉後才可導致二極體及光伏效應的反轉。利用氧空位及鐵電極化對能帶結構的調製作用合理地解釋了鐵電體中光伏效應的形成機制，當氧空位對能帶調製的作用超過鐵電極化對能帶調製的作用時，光電流的方向與最後一次施加電壓的方向相反而與鐵電極化方向無關。因此在氧空位較少的BFO中，光電流方向與極化方向相反，而在氧空位較多的BFO中，光電流方向取決於最後一次施加電場的方向。另外由於去除電場後氧空位的擴散導致光伏效應不斷衰減，由氧空位誘導的光伏效應是非穩的。（3）將超薄BFO層引入到釩酸鉍和FTO之間，研究發現由於超薄層BFO中高的載流子密度和強烈的自極化，導致Au/BVO/BFO/FTO異質結薄膜電池的光伏效應相對於Au/BVO/FTO薄膜電池得到了很大的提高並且其光伏效應發生了反轉，其開路電壓和短路電流大小與同厚度的BVO薄膜相比分別提高了5倍和2.3倍。對超薄BFO層的電壓-電流關係研究表明BFO中高的載流子密度主要是由於Au和BFO之間形成了隧道穿過效應。而其光伏效應發生反轉則主要是由於BFO中自極化的存在使BFO/FTO界面由歐姆接觸轉變成肖特基接觸所致。（4）通過本項目的支持，已發表基金署名SCI論文14篇，其中影響因子大於3的有3篇，所做的研究得到了國內外的廣泛關注，論文發表以來已被他引60餘次，另外還有3篇基金署名文章在投。申請專利4項，其中已有1項獲得授權，培養碩士研究生5人（3人已畢業），博士研究生2人。
