鐵電薄膜的光電轉(zhuǎn)換機制及效率提高.pdf

1、近年來，鐵電薄膜被證實具有光伏效應(yīng)，正逐漸受到關(guān)注。然而，到目前為止鐵電薄膜產(chǎn)生的光電流一般非常小，數(shù)量級是nA/cm2，無論在其光電轉(zhuǎn)換的機制及效率提高方面都有待深入的研究。本文選取了Pb(Zr0.2Ti0.8)O3(PZT)和(Bi3.7Nd0.3)Ti3O12(BNT)為研究對象，主要做了以下兩個方面的研究工作：
　　A.鐵電薄膜的光電轉(zhuǎn)換機理研究
　　（1）界面效應(yīng)研究（PZT與BNT薄膜的光電流比較研究）：我們采用

2、基本相同的工藝在Pt電極上制備了PZT與BNT鐵電薄膜，在室溫下制備上電極Pt。這兩種薄膜的2Pr基本相同，因此退極化場相近，由此引發(fā)的光電流也大致相等；但是這兩種薄膜的表面狀態(tài)不同，PZT薄膜比較平整，而BNT薄膜的表面呈現(xiàn)很多的圓錐形突起。我們利用變溫IV測試，并計算了這兩種薄膜的上下界面肖特勢壘，發(fā)現(xiàn)Pt/PZT/Pt的上下界面肖特基勢壘分別為0.76、0.29eV；而Pt/BNT/Pt的上下界面肖特基勢壘分別為0.72、0.64

3、eV。很明顯，Pt/BNT/Pt薄膜具有較為對稱界面肖特基勢壘，因此由界面勢壘引起的光電流要遠小于PZT的。這個結(jié)果發(fā)表在Appl.Phys. Lett.2010,96,192101。接著，通過退火后處理控制，研究了Pt/PZT上界面厚度對光電流的影響。盡管金屬/薄膜肖特基接觸的光電流是取決于肖特基勢壘的高度這一理論已經(jīng)得到大家的認可，但是我們的實驗結(jié)果表明：Pt/PZT接觸界面產(chǎn)生的光電流不但與肖特基勢壘高度有關(guān)，而且與界面層厚度有關(guān)

4、，即與界面層的內(nèi)建電場有關(guān)。結(jié)果發(fā)表在Appl. Phys. Lett.2010,97,102104。
　?。?）極化效應(yīng)對BNT鐵電薄膜光電流的影響：論文分析了Pt/BNT/Pt的光電流行為，發(fā)現(xiàn)極化對Pt電極上生長的多晶BNT鐵電薄膜光電流的作用機制：在受到額外光線輻射的鐵電薄膜中，外極化電壓引發(fā)薄膜中的剩余極化，退極化電場直接導(dǎo)致了光電流的產(chǎn)生。與此同時，由于靠近上下電極表面極化電荷的存在，電極表面肖特基勢壘的變化對于光電流

5、也有影響。我們對這一現(xiàn)象進行了詳細描述。結(jié)果發(fā)表在Mater.Chem. Phys.2011,129,783。
　　（3）眾所周知，紫外光照下的鐵電薄膜能夠產(chǎn)生極化―印記‖（polarization imprint）效應(yīng)，這是因為光生載流子在疇壁或電極/薄膜界面處集聚造成了剩余極化減弱。然而，我們發(fā)現(xiàn)，當受到紫外光照時，PZT薄膜顯示了剩余極化增強的現(xiàn)象。隨時間變化的光電流和電滯回線表明，PZT薄膜光電流的瞬時現(xiàn)象以及矯頑場偏移與

6、極化狀態(tài)、可移動的缺陷電荷密度（主要是氧空位）和老化時間都密切相關(guān)。通過壓電力顯微鏡觀察，我們對這一現(xiàn)象進行了合理的解釋。結(jié)果發(fā)表在J. Mater. Chem.2012,22,12592。
　　B.鐵電薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率提高
　　（1）在傳統(tǒng)的金屬/鐵電薄膜/金屬結(jié)構(gòu)中，普遍認為光電流由兩大因素產(chǎn)生：一是剩余極化，它形成了在整個薄膜內(nèi)的退極化場；另一因素是上下薄膜/金屬界面不對稱的肖特基勢壘。然而，由于不透明或半透明金屬電

7、極的高反射率，以及上下薄膜/金屬界面中存在的幾乎對稱的肖特基勢壘使得光伏輸出總體較低。本文首先引入了透明ITO底電極，不僅使更多的光被PZT薄膜吸收，同時還人為放大了ITO/PZT下界面和 PZT/Pt上界面的肖特基勢壘差異。實驗結(jié)果顯示，在一個標準模擬太陽光（AM1.5G）照射下，ITO/PZT/Pt結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光電流比Pt/PZT/Pt結(jié)構(gòu)提高了整整一個數(shù)量級。結(jié)果發(fā)表在Mater. Chem. Phys.2012,135,304。<

8、br>　?。?）由于下電極/鐵電薄膜和上電極/鐵電薄膜上的肖特基勢壘總是方向相反，使得光生載流子不能有效輸出到外電路，因此我們改變了ITO/PZT/Pt的結(jié)構(gòu)，在PZT薄膜與上電極Pt之間加入一層n型的氧化亞銅（Cu2O）。在模擬太陽光（AM1.5G）下測試光伏性能，ITO/PZT/Cu2O/Pt的光電流是ITO/PZT/Pt的120倍，達到了4.8mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率提高了72倍，達到了0.57%。紫外光電子光譜和暗 JV特性表