高储能密度薄膜电容器中钛酸锶钡和铌酸锌铋的制备及其特性研究

作     者：卫凯龙 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董和磊

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：钛酸锶钡薄膜 铌酸铋锌薄膜 介电性能 储能密度 透过率 

摘      要：虽然风能、太阳能、潮汐能等新能源被转化为电能缓解了能源危机,但电能储存技术问题一直没有解决。电容器是电能存储的核心单元,传统电容器因为其体积大,储能密度低且损耗大已经严重阻碍了上述行业的发展。高储能密度薄膜电容器中介电薄膜材料介电常数大、损耗较低且击穿电压高,可以使储能电容器体积更小,储能密度更大且使用寿命更长。本文通过溶胶-凝胶法制得了两种可用于薄膜电容器中的介质薄膜钛酸锶钡和铌酸铋锌。钙钛矿结构的钛酸锶钡BaSrTiO(BST)和焦绿石结构的铌酸铋锌BiZnNbO(BZN)介质薄膜材料都具有介电常数高、正切损耗低、储能密度大和透光率高等优点。在制备BST介质薄膜和BZN介质薄膜时,研究了不同退火温度对BST的结构与性能的影响和前驱液pH值对BZN的结构与性能的影响,建立了材料组分、晶体结构、介电性能、储能密度与透过率之间的联系。主要研究内容和结果如下:(1)采用改进的溶胶-凝胶法在FTO玻璃基底上制备了BST介质薄膜,解释了溶胶形成过程中的CA-EG的缩聚反应,研究退火温度对其晶体结构、电学性能的影响。退火温度为600℃时,BST薄膜XRD衍射峰的相对强度最大,半高峰最窄,结晶程度最高,此时薄膜元素XPS图谱的结合能偏移量最小,结合能相位差最接近理论值,介电性能测试中发现此时薄膜有最好的电学性能,介电常数为80,最高电压击穿强度值为1.85MV/cm,最小的正切损耗为0.008,最高储能密度为1.21 J/cm,最高平均光学透过率为87.2%。(2)在FTO玻璃基底制备BZN介质薄膜时,使用NbO代替常用的乙醇铌,降低了Nb溶液的成本,还优化了Nb-CA工艺。通过柠檬酸和氨水控制前驱液的pH值,研究前驱液pH值对其晶体结构、电学性能和光学性能的影响。测试发现前驱液pH=5时,BZN薄膜XRD衍射峰的相对强度最大,半高峰最窄,结晶程度最高,薄膜元素XPS图谱的结合能偏移量最小,结合能相位差最接近理论值,此时的BZN薄膜具有最好的电学性能,介电常数为120,损耗正切为0.003,调谐率为14.8%,储能密度值为9.82×10 J/cm,平均光学透过率为87.2%。