鐵酸鉍基薄膜的制備及其鐵電和光伏性能的研究.pdf

1、隨著集成鐵電學(xué)的發(fā)展和薄膜制備工藝的不斷進(jìn)步,以鐵酸鉍材料為代表的單相多鐵材料再次引起了研究人員的關(guān)注。隨著研究者們大量的實(shí)驗(yàn)研究,目前鐵酸鉍材料不管是在理論上還是在實(shí)驗(yàn)上都取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。伴隨著高極化、低漏電的鐵酸鉍薄膜不斷地被成功制備的同時(shí),科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了鐵酸鉍的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域—光伏。鐵酸鉍是窄帶隙鐵電體,由于帶隙窄可以吸收可見光，鐵電材料的極化特性,使得鐵電薄膜材料能夠有效分離光生電子空穴對(duì)從而產(chǎn)生光伏效應(yīng),為高效穩(wěn)定的太陽

2、能電池的制備,以及相應(yīng)光電器件的發(fā)展提供了一個(gè)新的途徑。
　　本文通過溶膠－凝膠法，在 FTO玻璃基底上制備了BFO薄膜和La離子摻雜的BFO薄膜，并對(duì)其進(jìn)行不同條件下的退火處理。并通過XRD、SEM、鐵電漏電、紫外可見光吸收以及光電流等測(cè)試對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形貌以及性能的分析研究。主要工作如下：
　　1、通過溶膠－凝膠法，在 FTO玻璃基底上制備了450℃,500℃,550℃空氣中退火的BFO薄膜。本章使用乙二醇作為溶劑使得配

3、置的前驅(qū)體濃度達(dá)到0.4mol/L，相比以往的薄膜制備工藝，可以有效減少薄膜制備的層數(shù)，從而減少雜質(zhì)的引入，而且合成技術(shù)具有工藝簡單、合成溫度低、對(duì)設(shè)備要求低等優(yōu)勢(shì)。XRD測(cè)試結(jié)果表明BFO薄膜在550℃時(shí)有較好的成相而且與標(biāo)準(zhǔn)卡片相一致。SEM圖像表明BFO薄膜樣品的晶粒尺寸會(huì)隨著溫度的上升而變大，也使得薄膜表面的孔隙在變少，薄膜的致密性變得更好。除此之外，紫外可吸收譜說明BFO薄膜在經(jīng)過550℃退火之后，其帶隙可以調(diào)節(jié)至2.54eV

4、。而光伏性能測(cè)試結(jié)果表明BFO薄膜在經(jīng)過550℃退火之后才具有比較明顯的光伏效應(yīng)，在紫外光照條件下其開路電壓及短路電流分別為0.15V、4.58mA/cm2。這也使得BFO薄膜可以成為光伏電池材料很好的一個(gè)選擇。
　　2、采用溶膠-凝膠法在FTO襯底上制備BFO薄膜，分別在空氣和氮?dú)鈼l件下進(jìn)行快速退火。探討了不同退火氣氛對(duì)其結(jié)構(gòu)、鐵電和光伏性能的影響。XRD和SEM結(jié)果表明:N2退火條件下BFO的晶粒尺寸比空氣退火條件下的晶粒尺寸

5、略小，而且表面的致密性更好。薄膜漏電與鐵電測(cè)量表明:N2退火條件下的BFO薄膜的漏電流更好而且剩余極化強(qiáng)度也更大。N2退火條件下的BFO薄膜的吸收波長范圍比空氣中的更寬，強(qiáng)度更高，其帶隙變?yōu)?.33eV，在紫外光照條件下其開路電壓及短路電流分別為0.31V、6.21mA/cm2。這也說明N2條件下退火有助于提高BFO薄膜的鐵電性與光伏性能。與上一章中改變退火溫度對(duì)BFO薄膜光伏性能的影響相比，N2氣氛處理對(duì)其光伏性能的改善更加明顯，有利

6、于對(duì)其機(jī)理進(jìn)行研究，而且操作簡單、成本較低。
　　3、用溶膠凝膠法在N2中550℃的快速退火條件下在FTO透明導(dǎo)電玻璃上制備了摻雜La3+的雙層BFO薄膜，并討論了La3+的摻雜對(duì)BFO薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌以及漏電流和光伏性能的影響。XRD與SEM表明，該種方法可以制備出具有純相結(jié)構(gòu)的BFO薄膜。漏電流圖譜表明La摻雜可以有效地抑制Bi元素的揮發(fā)產(chǎn)生的孔隙和Fe變價(jià)導(dǎo)致的氧空位的數(shù)量，從而使薄膜的致密性更好，能夠有效地減少漏電流密度。

7、紫外可見光吸收顯示La摻雜可以減小BFO薄膜的帶隙，通過光伏效應(yīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻雜La之后，BFO薄膜的開路電壓從未摻雜的0.014V增大到0.2V，短路電流密度也從1.27增強(qiáng)到1.87mA/cm2，而且其半導(dǎo)體性也變得更加明顯。這說明La摻雜的BFO薄膜在光伏領(lǐng)域有潛在的商業(yè)應(yīng)用前景。與前兩章相比，薄膜的制備過程具有很強(qiáng)的可控制性，可有效減少外界對(duì)薄膜性能的干擾。并驗(yàn)證了La摻雜對(duì)BFO薄膜性能影響的相關(guān)機(jī)理。本章中制備的薄膜樣品，其在