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铁酸铋体光伏太阳能电池性能研究

铁酸铋体光伏太阳能电池性能研究

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作者：王明绪曲阜师范大学

学位级别：硕士

与传统的p-n结或p-i-n结诱导的光伏效应不同,体光伏效应是由特殊材料的结构极化诱导的内建电场促使光生载流子分离。由于与传统光伏效应的内建电场诱导的载流子分离机制不同,开路电压可以远高于带隙。因此,体光伏效应有望突破肖克利-奎... 详细信息

与传统的p-n结或p-i-n结诱导的光伏效应不同,体光伏效应是由特殊材料的结构极化诱导的内建电场促使光生载流子分离。由于与传统光伏效应的内建电场诱导的载流子分离机制不同,开路电压可以远高于带隙。因此,体光伏效应有望突破肖克利-奎伊瑟极限。由于体光伏材料多为绝缘体,导电性差,电池短路电流极低,电池效率还非常低,目前单节体光伏电池最高效率仅为3～4%。铁酸铋（BFO）是一种直接带隙多铁钙钛矿氧化物,室温下带隙宽度为2.68 eV,铁电居里温度和反铁磁奈尔温度分别为1103 K和643 K,远高于室温,自发极化强度高达100μC/cm2。在众多铁电材料中,BFO具有带隙窄、极化强度高的优点,因此,近年来BFO作为体光伏效应中热点材料引起了众多科研工作者的广泛关注,并取得了很大进展。例如,近期研究发现,偏振光由线偏振光变为椭圆偏振光时BFO器件的光伏效应明显增强,BFO器件的开路电压超过了 25 V。但是,还有一些问题有待于深入研究。一方面,极化与体光伏效应的关系还不确定。另一方面,横向结构BFO光伏器件中BFO结构与电畴及光伏性能的关系尚不清楚。因此,本文通过选取不同衬底上外延BFO薄膜,进而调控BFO结构,从而对BFO光伏器件中BFO结构与电畴及光伏性能的关系进一步探索。本文主要研究内容如下:1.利用脉冲激光沉积技术（PLD）,在（001）取向钛酸锶（STO）衬底上制备了纯相的BFO薄膜,确定了 BFO薄膜的生长模式和最优PLD生长窗口。通过对氧分压和衬底温度条件的探索,利用X射线衍射仪和原子力显微镜等表征手段,对BFO薄膜的外延结构和形貌等物性进行了研究,确定了 BFO薄膜的最优制备条件。通过RHEED对BFO薄膜生长情况的监控,确定了 BFO薄膜的层状-岛状结合生长方式。通过对BFO薄膜倒易空间非对称晶面的测试,发现随着脉冲数的增加,BFO薄膜由完全受到应力束缚到应力完全松弛。2.利用导电原子力显微镜,从微观尺度上研究了纵向结构BFO体光伏太阳能电池的光电性能,并讨论了双脉冲极化对光伏性能的影响。首先利用PLD在（001）取向STO衬底上制备了掺铝氧化锌（AZO）薄膜,并通过改变衬底温度获得了导电性能优异的AZO薄膜。然后在导电的（001）取向掺铌钛酸锶（NSTO）衬底上制备了高质量BFO外延薄膜,并利用掩模版制备了 AZO顶电极,组装了 BFO体光伏器件。利用铁电测试仪研究了 BFO薄膜的铁电特性。利用导电原子力显微镜和太阳能模拟器联合搭建的微区太阳能电池测试系统,从微观尺度上研究了 BFO光伏器件的光电流分布和I-V曲线,并研究了双脉冲极化处理对光伏器件光伏性能的影响。经过极化处理后器件的光电转化效率相比极化之前提高了 2.27倍。通过不同电压下面外电畴分布,解释了电流回滞现象。3.分别在铝酸镧（LAO）衬底和钪酸铽（TSO）衬底上制备了横向结构BFO体光伏器件,研究了 BFO结构与电畴及光伏性能的关系。利用PLD在与BFO薄膜晶格匹配度较低的LAO（001）衬底和晶格匹配度较高的TSO（110）衬底制备了 BFO薄膜。XRD测试结果表明LAO衬底上制备的BFO薄膜为四方相,只有一个铁弹畴,TSO衬底上制备的BFO薄膜为菱方相,具有两个铁弹畴。然后利用掩模版在BFO薄膜上制备了 AZO顶电极,组装了横向结构BFO光伏器件。利用半导体测试仪在80 mW的405 nm激光器光照下分别测试了器件的I-V曲线,LAO衬底和TSO衬底制备器件的开路电压分别达到了 1.55V和9.66V,尤其是TSO衬底上制备器件的开路电压是BFO薄膜带隙值的3倍多。利用压电力显微镜研究了外延BFO薄膜的面内和面外电畴分布,LAO衬底上制备的BFO薄膜没有形成有序的畴结构,而TSO衬底上制备的BFO薄膜形成了周期性71°畴壁,因此以TSO衬底制备的器件得到高的开路电压。

关键词：脉冲激光沉积技术铁酸铋体光伏效应电流回滞双脉冲极化

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