本文關(guān)鍵詞：鋯鈦酸鉛鐵電薄膜的光伏性能研究

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【摘要】：非極性晶體在光照下產(chǎn)生的光伏效應(yīng)早已為人所熟知,根據(jù)這一原理發(fā)展的晶體硅太陽能電池成為了目前世界上應(yīng)用最為廣泛的光伏器件,其裝機容量已經(jīng)超過25GW。然而,晶體硅太陽電池的發(fā)展正受到理論效率極限的制約,許多研究者開始將目光投向新型光伏材料的開發(fā)研究領(lǐng)域,其中鐵電材料以其獨特的反常光生伏打效應(yīng),能夠產(chǎn)生突破帶隙限制的大開路電壓,以及鐵電薄膜低成本的優(yōu)勢,使得鐵電材料成為新型光伏材料領(lǐng)域的研究熱點。由于鐵電材料的電導(dǎo)率比較低,產(chǎn)生電子空穴對的遷移速率低,因此大多數(shù)金屬/鐵電薄膜/金屬(MFM)結(jié)構(gòu)器件的短路光電流都不理想,難以獲得令人滿意的短路電流。另外,傳統(tǒng)鐵電材料的禁帶寬度比較大(3.5e V左右),難以吸收利用太陽光中的可見光,導(dǎo)致基于鐵電薄膜的光伏器件光伏發(fā)電效率較低。針對這些缺點,在本文中,我們致力于研究提高鐵電薄膜太陽能電池光電流的新方法。我們首先在具有ITO鍍層的石英基底上用溶膠凝膠法制備了Pb(Zr0.20Ti0.80)O3(PZT)鐵電薄膜,再用磁控濺射法在PZT薄膜上沉積不同材料的金屬上電極(Ag、Cu、Au、Pt),我們研究發(fā)現(xiàn),沉積的Ag和Au電極成功在PZT薄膜的上表面上引入了表面等離激元,樣品可見光波段EQE出現(xiàn)提高,光電流得到極大增強,我們認(rèn)為提高的光電流是來自PZT表面近場強度增強而激發(fā)出的光生載流子。為了驗證我們的想法,我們對樣品的界面進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)多晶PZT薄膜在退火過程中上表面自然形成的粗糙結(jié)構(gòu)可以耦合可見光波段入射光子和局域表面等離激元,從而增強PZT薄膜可見光波段的吸收。傳統(tǒng)的電荷轉(zhuǎn)移機制并不能很好的解釋PZT薄膜中表面等離激元產(chǎn)生的光電流現(xiàn)象,而在我們提出的這一模型中,ITO/PZT/Ag和ITO/PZT/Au結(jié)構(gòu)在可見光波段出現(xiàn)的光伏提高現(xiàn)象則得到了合理的解釋。我們知道某些半導(dǎo)體材料具有非常良好的光響應(yīng),能夠有效地吸收光子生成大量電子空穴對。為了實現(xiàn)鐵電薄膜光伏器件的光電轉(zhuǎn)化效率的提高,我們考慮設(shè)計復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu),將半導(dǎo)體高電流密度和鐵電體大開路電壓的優(yōu)勢結(jié)合起來形成金屬/半導(dǎo)體/鐵電體/金屬(MSFM)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)這一思路,我們利用磁控濺射方法在ITO/PZT/Pt結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了Zn O和Cu2O層,制備出ITO/PZT/Zn O/Pt和ITO/PZT/Zn O/Cu2O/Pt(MSFM)異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜器件。另外,這一結(jié)構(gòu)也充分考慮到了帶隙分布的合理性,能夠有效地促進(jìn)電荷流動。我們分別摸索了Zn O層厚度和Cu2O層制備工藝對器件光伏性能的影響,對比測試結(jié)果,在最佳的工藝條件下,我們制備的異質(zhì)結(jié)構(gòu)短路光電流密度與ITO/PZT/Pt結(jié)構(gòu)相比提高了60倍左右。這表明,我們設(shè)想的通過復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)提高鐵電薄膜器件光伏效應(yīng)的思路具有一定的可行性。
【關(guān)鍵詞】：鐵電薄膜 光伏性能 表面等離激元 異質(zhì)結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4;TM221
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 引言10-21
• 1.1 鐵電材料10-14
• 1.1.1 鐵電材料簡介10-12
• 1.1.2 鐵電材料研究現(xiàn)狀12-14
• 1.2 鐵電薄膜的光伏效應(yīng)研究14-15
• 1.3 鐵電薄膜的制備技術(shù)15-17
• 1.3.1 溶膠-凝膠法16
• 1.3.2 濺射法16
• 1.3.3 脈沖激光沉積法16-17
• 1.3.4 金屬有機化合物氣相沉積法（MOCVD）17
• 1.4 本文的研究意義和內(nèi)容17-19
• 參考文獻(xiàn)19-21
• 第二章 樣品的制備和表征方法21-32
• 2.1 溶膠-凝膠法（Sol-Gel）21-23
• 2.1.1 理論基礎(chǔ)和發(fā)展21-23
• 2.1.2 主要設(shè)備和環(huán)境要求23
• 2.2 溶膠凝膠法制備PZT薄膜23-25
• 2.2.1 前驅(qū)體溶液的配制23-24
• 2.2.2 PZT薄膜的制成24-25
• 2.3 磁控濺射法制備金屬上電極25-26
• 2.4 樣品的結(jié)構(gòu)表征26-28
• 2.4.1 X射線衍射測試26-27
• 2.4.2 原子力顯微鏡27-28
• 2.4.3 掃描電子顯微鏡28
• 2.5 樣品的性能表征28-31
• 2.5.1 鐵電性能測試28-29
• 2.5.2 紫外-可見吸收光譜29
• 2.5.3 光誘導(dǎo)電流測試29
• 2.5.4 光伏電流電壓特性測試29-30
• 2.5.5 入射單色光光電轉(zhuǎn)化效率測試30-31
• 參考文獻(xiàn)31-32
• 第三章 表面等離激元對PZT薄膜光伏性能的影響32-53
• 3.1 引言32-34
• 3.2 實驗結(jié)果與討論34-49
• 3.2.1 PZT鐵電薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與鐵電性能34-35
• 3.2.2 極化翻轉(zhuǎn)與樣品光伏可調(diào)諧性能35-38
• 3.2.3 表面等離激元對PZT薄膜光伏性能的影響38-49
• 3.3 小結(jié)49-50
• 參考文獻(xiàn)50-53
• 第四章PZT復(fù)合多層膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光伏性能研究53-64
• 4.1 引言53-54
• 4.2 ITO/PZT/ZnO/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能研究54-58
• 4.2.1 樣品制備過程54
• 4.2.2 實驗結(jié)果與討論54-58
• 4.3 ITO/PZT/ZnO/Cu2O/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能研究58-62
• 4.3.1 樣品制備過程58-59
• 4.3.2 實驗結(jié)果與討論59-62
• 4.4 小結(jié)62-63
• 參考文獻(xiàn)63-64
• 第五章 總結(jié)64-66
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文66-67
• 致謝67-68

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 趙婧,李懷祥;溶膠-凝膠法制備無機納米材料的研究現(xiàn)狀[J];微納電子技術(shù);2005年11期

2 蔡葦;符春林;高家誠;鄧小玲;林澤彬;;鐵電薄膜光伏效應(yīng)及形成機制研究進(jìn)展[J];真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報;2012年07期

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本文編號：892148