【摘要】：能源短缺、環(huán)境污染是可持續(xù)發(fā)展道路上亟待解決的重要問題,利用清潔、可再生能源是解決這些問題的重要方案,新型光電功能材料的研發(fā)是實現(xiàn)太陽能高效利用的重要途徑。鐵電光伏效應因其具有不受材料禁帶寬度限制的開路電壓,得到了研究者們的廣泛關注。并且,鐵電體光伏材料的光伏性能對材料的極化狀態(tài)具有明顯的依賴性,為可控性器件的設計提供了更好的選擇。常見的鈣鈦礦鐵電體材料普遍具有禁帶寬度大(3 eV)的特點,這極大限制了鐵電光伏材料的研究,因此降低材料的禁帶寬度是鐵電光伏材料研究的首要問題。對于鈣鈦礦鐵電材料而言,通過過渡金屬離子摻雜降低材料的禁帶寬度是最為常見的方案。然而,價態(tài)不匹配離子摻雜會使材料引入氧空位等結構缺陷,缺陷對材料的鐵電性能有明顯的影響、對性能調(diào)控有著重要作用。鐵電性能是鐵電光伏效應的基礎,同時材料的極化狀態(tài)是調(diào)控鐵電體光伏性能的關鍵。因此,過渡金屬離子摻雜對鈣鈦礦材料鐵電性能的影響研究是必要的。實現(xiàn)鐵電體材料的光伏性能常見的方式是構建具有電極/鐵電體/電極的“三明治”結構的鐵電體光伏器件。這類器件中,電極與鐵電體的相互作用會明顯影響鐵電體光伏性能,尤其在極化過程中電極與鐵電體的相互作用會進一步發(fā)生變化。因此,對光伏器件的物理機制研究同樣有著重要意義。本研究中選擇Fe摻雜鉭鈮酸鉀晶體(Fe-KTN)晶體作為研究對象,針對以下四個科學問題展開研究:1、Fe摻雜對KTN晶體鐵電性能的影響及調(diào)控作用;2、Fe摻雜對KTN晶體中疇結構取向過程的影響;3、Fe摻雜對KTN晶體禁帶寬度的調(diào)控作用;4、以Fe-KTN晶體為基礎構建鐵電體光伏器件,對器件的光伏性能及電極與Fe-KTN晶體界面間相互作用的物理機制進行分析。本文首先對四方相Fe-KTN晶體的鐵電性能進行了系統(tǒng)的研究。對Fe-KTN晶體中特殊的雙電滯回線的產(chǎn)生機制進行分析,提出缺陷偶極子對疇結構的束縛作用和恢復力作用機制。解釋了原始狀態(tài)和退火、老化后的Fe-KTN晶體具有不同固有宏觀極化的原因。通過改變鐵電測試中的電場條件,實現(xiàn)了Fe-KTN晶體雙電滯回線的可控演化,發(fā)現(xiàn)了缺陷偶極子對外電場響應的特征。研究了Fe摻雜量對Fe-KTN晶體鐵電性能及疇結構翻轉(zhuǎn)過程的影響作用。首先通過鐵電測試,分析了不同摻雜量Fe-KTN晶體中缺陷偶極子的束縛作用、恢復力作用及對外電場響應情況的變化。然后,利用偏光顯微鏡成像對Fe-KTN0.15和Fe-KTN1晶體中疇結構對外電場響應過程進行了分析。最后,提出了晶體中有極性缺陷偶極子和無極性缺陷結構共存,且缺陷結構類型隨摻雜量轉(zhuǎn)變的模型,對不同摻雜量的Fe-KTN晶體的鐵電性能及疇翻轉(zhuǎn)過程進行了解釋。研究了Fe-KTN晶體中疇結構的本征取向特性及缺陷偶極子對晶體有序性的影響機制。首先,利用介溫譜測試及Fr?ohlich熵對Fe-KTN晶體在升降溫過程中的有序性進行分析,發(fā)現(xiàn)缺陷偶極子對晶體疇結構的束縛作用是維持晶體有序性的原因,分析了束縛作用隨溫度變化的情況。同時,通過鐵電測試、偏光顯微鏡成像分析了Fe-KTN晶體的本征取向特性。最后,對極化、老化后的Fe-KTN晶體進行變溫鐵電性能測試,發(fā)現(xiàn)變溫過程中缺陷偶極子能夠在電場作用下恢復對疇結構的取向作用。研究了Fe摻雜對KTN晶體的禁帶寬度的調(diào)控作用,并從能帶結構的角度出發(fā)對禁帶寬度降低的機制進行了分析。然后,以Fe-KTN晶體為基礎,構建了具有ITO/Fe-KTN/Ag結構的Fe-KTN晶體光伏器件,并對器件的光伏性能進行測試,實現(xiàn)極化可翻轉(zhuǎn)的鐵電光伏性能。最后,提出Fe-KTN晶體光伏器件中退極化場與界面勢壘共存模型,Fe-KTN晶體光伏器件所表現(xiàn)出的可極化翻轉(zhuǎn)光伏性能是兩種內(nèi)置電場耦合作用的結果。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM221;TB34
【圖文】：

第 1 章 緒 論圖 1.1(a)所示，當光子能量不低于半導體禁帶寬度的入射光照射半子吸收光子能量被激發(fā)至導帶，同時在價帶處形成空穴，即產(chǎn)生電生載流子的形成過程與半導體內(nèi)部能帶結構密不可分，禁帶寬度決定用太陽光的頻率范圍。2）光生電勢差的產(chǎn)生過程-n 結結構是由 n 型半導體與 p 型半導體緊密接觸構成的。n 型半導體載流子，其濃度遠大于空穴，而 p 型半導體中載流子濃度情況則與之半導體緊密接觸，由于載流子的濃度差異，載流子會自發(fā)擴散，分別 型區(qū)內(nèi)靠近界面處積累空間電荷，最終形成一個由 n 型區(qū)指向 p 型（Ebi），如圖 1.1(c)所示。在內(nèi)建電場的作用下，光生電子-空穴對相反方向移動至材料表面，從而形成光生電勢差。當 p-n 結兩端被導便會有光生電流產(chǎn)生。

路電壓較低（理論上，一般不到 1V）的特點，鐵電材壓可遠大于材料的禁帶寬度，因此鐵電體光伏材料的能 p-n 結半導體。同時，鐵電體光伏材料中產(chǎn)生的光生短極化狀態(tài)具有明顯的依賴性，為可控性器件設計提供了鐵電光伏效應的研究并不是一個新鮮的課題。早在上世發(fā)現(xiàn) BaTiO3單晶中穩(wěn)定的光生電壓現(xiàn)象[1]，研究表明密切相關，鐵電體中特殊的光伏效應走進了人們的視野iTaO3晶體[53]的研究中也證實了這一特殊光伏效應的存在在某些鐵電材料中發(fā)現(xiàn)反常的光伏效應，巨大的光生電 62]，不再受到材料禁帶寬度的限制，并且光生電壓能夠由于光電流十分微弱，并且其中的物理機制尚不明確，到研究者們的重視。直到 2009 年，ChoiT 等人[2]在 BiF發(fā)現(xiàn)鐵電光伏效應可翻轉(zhuǎn)的特性。至此，鐵電光伏效應煥發(fā)出新的活力。雖然鐵電光伏效應經(jīng)歷了多年的研究仍不十分清晰。

量特征[66-68]。Sturman 和 Fridkin 在位移電流模型的基礎上提出了鐵電光伏效應的三階張量模型[69]。通過對張量模型的討論，能夠很好地解釋鐵電光伏效應中光生電流與入射偏振光的方向的關系。然而，在位移電流張量模型中分析得到的光生電流方向與其他效應所引起的光生電流方向相反，利用該模型也不能完善的解釋現(xiàn)階段的鐵電光伏效應的所有特征。雖然部分研究工作表現(xiàn)出鐵電光伏效應是多種效應耦合作用的效果，但是現(xiàn)階段仍不能對鐵電效應的微觀機制給出完美的解釋。1.3.2 疇壁光伏效應對鐵電光伏效應的微觀機制研究一直是該領域研究的重點及難點�，F(xiàn)階段所公認的理論是基于鐵電體固有的“內(nèi)建電場”即退極化場的存在，使得光生載流子可在材料內(nèi)部得以定向分離，從而達到光電能量轉(zhuǎn)換的目的。然而，這一層面的理論解釋還未深入到鐵電體內(nèi)部疇及疇壁的結構層次，內(nèi)建電場的量級、分布情況，以及內(nèi)部載流子的輸運情況等仍是不清晰的，因此針對體光伏效應的機制探討仍是不完善的。隨著微加工技術和微尺度探測技術的進步，才使得在疇及疇壁尺度對鐵電光伏效應的探索成為可能。

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 劉U

本文編號：2773436