载流子传输层和阻变效应对BiFeO3薄膜光伏效应影响的研究

作     者：徐彪 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐庆宇

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：BiFeO3 铁电材料 光伏效应 阻变 化学修饰 

摘      要：铁电材料在室温下表现出可翻转的自发极化,在未来的多功能计算、数据存储、光电探测、光催化、以及光伏领域具有巨大的潜在应用价值。BiFeO作为目前唯一在室温下同时具备反铁磁和强铁电性的单相多铁材料,多年来吸引了研究人员的广泛关注。在众多钙钛矿铁电材料中,BiFeO具有相对小的光学带隙值2.67 eV,使其在铁电光伏领域更具优势。A位B位化学代替和AB位共代替对BiFeO铁电、铁磁和光电等性能具有非常灵活的调整作用。BiFeO特有的窄带隙和铁电畴壁结构使其在铁电光伏中实现了远超带隙值的开路电压,在未来的新型光伏领域,BiFeO及其化学修饰材料将占有重要的地位。本文利用溶胶凝胶法结合脉冲激光沉积技术对纯相BiFeO薄膜和A位Gd掺杂多层薄膜的光伏性能进行了研究。光吸收层、电子传输层、空穴传输层之间能带的错配会很大程度上影响器件的光伏性能,通常通过插入一层缓冲层来应对这种情况。在这篇文章中,我们提出了一个新的可供选择的策略来改善光伏性能,就是结合阻变和光伏两个领域。材料体内缺陷在外加电场作用下往界面迁移,这使得体内的复合中心浓度降低,同时,缺陷(主要是氧空位)在界面的累积能起到调节界面势垒高度的作用。利用BiFeO作为吸光层,mTiO和NiO薄膜分别作为电子传输层和空穴传输层,我们测到了明显的双极性阻变曲线。通过某一外加电压将阻态设置到低阻态时,光伏效应得到了明显的增强。相比器件的原始状态,光照下最大的短路电流密度从2.38μA cm增加到5.66μA cm,增加了2.3倍,开路电压从0.39 V增加到0.525 V,增加了1.3倍。我们也对BiFeO进行A位化学修饰,A位Gd掺杂比例有0、1%、3%和5%。同样以mTiO和NiO薄膜分别作为电子传输层和空穴传输层。经过化学修饰的BiFeO具有更好的结构稳定性,更优的光学带隙值。经过测试,在一个太阳光照的条件下,5%Gd掺杂的BiFeO比起纯相BiFeO薄膜的短路电流密度增加了3.46倍达到20.85μA cm。