铁酸铋薄膜的制备及其光伏效应的研究

《铁酸铋薄膜的制备及其光伏效应的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、学号：12101315常州大学硕士学位论文铁酸铋薄膜的制备及其光伏效应的研究研究生陈梦蛟指导教师丁建宁学科、专业名称材料学研究方向新能源材料与器件2015年6月PreparationofBiFeO3FilmsandResearchofItsPhotovoltaicEffectADissertationSubmittedtoChangzhouUniversityByMengJiao-Chen(MaterialsScience)DissertationSupervisor:Prof.JianNing-Ding06，2015

2、常州大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式标明。本人已完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权的说明本学位论文作者完全了解常州大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属常州大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印

3、件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。学位论文作者签名：签字日期：年月日导师签名：签字日期：年月日中文摘要铁酸铋（BFO）是极少数在常温下就同时具备铁电性和反铁磁性的材料。因此，在过去的很长一段时间里，铁酸铋在多铁性材料领域一直有着很高的研究地位。近几年，在新能源日益被重视的社会背景下，BFO以其低光学带隙和超高剩余

4、极化强度提供内建电场的光伏效应又一次掀起了一阵铁电光伏研究热潮。然而，目前铁酸铋薄膜制备条件苛刻、漏电流大、光电转换效率低等问题限制了其发展。本文旨在通过简单的工艺制备出优质的多晶BFO薄膜，并对其光伏效应进行一定的基础研究，然后通过引入陷光结构等手段提升铁电光伏的效率。具体研究过程和成果如下：（1）本文采用溶胶-凝胶法在FTO/galss、ITO/glass和Pt/Ti/SiO2/Si不同基底上旋涂制备了BFO薄膜。表征结果表明：BFO薄膜存在的少量杂质相和表面微观形貌中存在的裂缝和空洞直接导致了BFO薄膜的电滞回线

5、不饱和、漏电流大。其中，ITO表面的BFO薄膜的性能略好于FTO和Pt表面的薄膜。（2）利用常温射频磁控溅射和后期热退火的方法成功在FTO/galss、ITO/glass和Pt/Ti/SiO2/Si不同基底上制备了纯相的BFO薄膜。但是，沉积在FTO表面的BFO薄膜具有明显的裂纹和空洞，诱导了巨大的漏电流密度。沉积在ITO表面的薄膜具有最致密的结构，其剩余极化强度是FTO2表面BFO薄膜的~72倍，达到~180uC/cm。通过在450-525℃退火温度的比较发现，500℃退火的薄膜具有最优异的铁电性。（3）利用高温（7

6、00℃）磁控溅射的方法在不同氩氧比环境中将BFO薄膜沉积到Pt/Ti/SiO2/Si基底上。结果表明，在Ar：O2=50：35的条件下的薄膜质量最高，但是依然存在较大漏电问题。这说明，本文的常温溅射的简单工艺和利用工业化的透明ITO导电玻璃具有应用化的优势。（4）通过测试BFO薄膜的透过率推导出了105-200nm的薄膜的光学带隙在2.64-2.74eV，与文献报道相符。在I-V曲线的测试中发现：在极化电场作用下通过改变电压扫描方向可以改变开路电压和短路电流的正负和大小；ITO氧化物电极代替金属电极可以降低电荷屏蔽效应

7、，提升铁电光伏响应；在薄膜剩余极化强度接近的条件下，薄膜厚度的降低提升了去极化电场，从而提升了基于BFO薄膜的太阳电池的光伏响应。（5）利用飞秒激光器在Ni片表面成功诱导刻蚀出了高陷光的微纳锥状阵列结构。构造Ag/BFO/Ni(陷光)电池结构，测试结果表明，光伏效I应并不明显，可能原因有：激光刻蚀过程中使Ni表面生成了一层超薄氧化物增加了电池的电阻；溅射的台阶覆盖性差导致BFO薄膜与Ni基底之间存在空隙。另外，在结合传统p-n结构建的新电池结构Ag/HTM/BFO/TiO2/ITO测试中，光伏响应相比于单纯“三明治”结

8、构的Ag/BFO/ITO电池提升10倍以上。在这种电池结构中，极化对光伏效应影响明显，预加正向极化时，短路电流提升了将近一倍，预加负向极化时，开路电压降低一半，短路电流降低4倍以上。关键词:BiFeO3薄膜；磁控溅射；铁电光伏；ABSTRACTBiFeO3(BFO)isakindofrarematerialbothwithferr