鐵酸鉍薄膜的制備及其光伏效應(yīng)的研究

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1、學(xué)號(hào)：12101315常州大學(xué)碩士學(xué)位論文鐵酸鉍薄膜的制備及其光伏效應(yīng)的研究研究生陳夢(mèng)蛟指導(dǎo)教師丁建寧學(xué)科、專業(yè)名稱材料學(xué)研究方向新能源材料與器件2015年6月PreparationofBiFeO3FilmsandResearchofItsPhotovoltaicEffectADissertationSubmittedtoChangzhouUniversityByMengJiao-Chen(MaterialsScience)DissertationSupervisor:Prof.JianNing-Ding06，2015

2、常州大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在論文中以明確方式標(biāo)明。本人已完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者簽名：簽字日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)的說(shuō)明本學(xué)位論文作者完全了解常州大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬常州大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印

3、件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編本學(xué)位論文。保密論文注釋：本學(xué)位論文屬于保密范圍，在年解密后適用本授權(quán)書(shū)。非保密論文注釋：本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書(shū)。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日中文摘要鐵酸鉍（BFO）是極少數(shù)在常溫下就同時(shí)具備鐵電性和反鐵磁性的材料。因此，在過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，鐵酸鉍在多鐵性材料領(lǐng)域一直有著很高的研究地位。近幾年，在新能源日益被重視的社會(huì)背景下，BFO以其低光學(xué)帶隙和超高剩余

4、極化強(qiáng)度提供內(nèi)建電場(chǎng)的光伏效應(yīng)又一次掀起了一陣鐵電光伏研究熱潮。然而，目前鐵酸鉍薄膜制備條件苛刻、漏電流大、光電轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題限制了其發(fā)展。本文旨在通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝制備出優(yōu)質(zhì)的多晶BFO薄膜，并對(duì)其光伏效應(yīng)進(jìn)行一定的基礎(chǔ)研究，然后通過(guò)引入陷光結(jié)構(gòu)等手段提升鐵電光伏的效率。具體研究過(guò)程和成果如下：（1）本文采用溶膠-凝膠法在FTO/galss、ITO/glass和Pt/Ti/SiO2/Si不同基底上旋涂制備了BFO薄膜。表征結(jié)果表明：BFO薄膜存在的少量雜質(zhì)相和表面微觀形貌中存在的裂縫和空洞直接導(dǎo)致了BFO薄膜的電滯回線

5、不飽和、漏電流大。其中，ITO表面的BFO薄膜的性能略好于FTO和Pt表面的薄膜。（2）利用常溫射頻磁控濺射和后期熱退火的方法成功在FTO/galss、ITO/glass和Pt/Ti/SiO2/Si不同基底上制備了純相的BFO薄膜。但是，沉積在FTO表面的BFO薄膜具有明顯的裂紋和空洞，誘導(dǎo)了巨大的漏電流密度。沉積在ITO表面的薄膜具有最致密的結(jié)構(gòu)，其剩余極化強(qiáng)度是FTO2表面BFO薄膜的~72倍，達(dá)到~180uC/cm。通過(guò)在450-525℃退火溫度的比較發(fā)現(xiàn)，500℃退火的薄膜具有最優(yōu)異的鐵電性。（3）利用高溫（7

6、00℃）磁控濺射的方法在不同氬氧比環(huán)境中將BFO薄膜沉積到Pt/Ti/SiO2/Si基底上。結(jié)果表明，在Ar：O2=50：35的條件下的薄膜質(zhì)量最高，但是依然存在較大漏電問(wèn)題。這說(shuō)明，本文的常溫濺射的簡(jiǎn)單工藝和利用工業(yè)化的透明ITO導(dǎo)電玻璃具有應(yīng)用化的優(yōu)勢(shì)。（4）通過(guò)測(cè)試BFO薄膜的透過(guò)率推導(dǎo)出了105-200nm的薄膜的光學(xué)帶隙在2.64-2.74eV，與文獻(xiàn)報(bào)道相符。在I-V曲線的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)：在極化電場(chǎng)作用下通過(guò)改變電壓掃描方向可以改變開(kāi)路電壓和短路電流的正負(fù)和大??；ITO氧化物電極代替金屬電極可以降低電荷屏蔽效應(yīng)

7、，提升鐵電光伏響應(yīng)；在薄膜剩余極化強(qiáng)度接近的條件下，薄膜厚度的降低提升了去極化電場(chǎng)，從而提升了基于BFO薄膜的太陽(yáng)電池的光伏響應(yīng)。（5）利用飛秒激光器在Ni片表面成功誘導(dǎo)刻蝕出了高陷光的微納錐狀陣列結(jié)構(gòu)。構(gòu)造Ag/BFO/Ni(陷光)電池結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果表明，光伏效I應(yīng)并不明顯，可能原因有：激光刻蝕過(guò)程中使Ni表面生成了一層超薄氧化物增加了電池的電阻；濺射的臺(tái)階覆蓋性差導(dǎo)致BFO薄膜與Ni基底之間存在空隙。另外，在結(jié)合傳統(tǒng)p-n結(jié)構(gòu)建的新電池結(jié)構(gòu)Ag/HTM/BFO/TiO2/ITO測(cè)試中，光伏響應(yīng)相比于單純“三明治”結(jié)

8、構(gòu)的Ag/BFO/ITO電池提升10倍以上。在這種電池結(jié)構(gòu)中，極化對(duì)光伏效應(yīng)影響明顯，預(yù)加正向極化時(shí)，短路電流提升了將近一倍，預(yù)加負(fù)向極化時(shí)，開(kāi)路電壓降低一半，短路電流降低4倍以上。關(guān)鍵詞:BiFeO3薄膜；磁控濺射；鐵電光伏；ABSTRACTBiFeO3(BFO)isakindofrarematerialbothwithferr