铁电薄膜光伏效应研究进展

铁电材料由于具有反常的光伏效应(光生电场高达103~105 V/cm),理论上存在较高的光电转换效率,在太阳能光伏领域具有潜在的应用前景而备受关注。然而,由于铁电材料带隙通常较大、导电性差等因素导致其光生电流较低、光电转换效率还有待进一步提高。弄清铁电光伏效应是增强其转换效率的重要前提。但关于铁电材料光伏效应的起源目前还没有定论,其机制也一直存在争议。基于以上考虑,本文综述了铁电薄膜光伏效应的研究进展,详细阐述了影响光伏效应的各种因素及铁电薄膜光伏效应的机制,并提出了亟待解决的问题。     

气溶胶辅助CVD法制备F掺杂SnO2薄膜及其性能

采用气溶胶辅助化学气相沉积法(AACVD)在玻璃衬底上沉积F掺杂SnO_2(FTO)薄膜,研究了前驱液中不同F/Sn摩尔比制备的FTO薄膜的结构、表面形貌、光学、电学及光致发光性能。结果表明:所制备FTO薄膜均为(200)面择优取向的多晶四方金红石相结构;前驱液中F/Sn摩尔比的增加,会导致(110)面的衍射峰强度增加,薄膜表面堆积颗粒形状发生变化,薄膜样品光学透过率提升;当F/Sn摩尔比=40%时,FTO薄膜具有最大的载流子浓度1.031×10~(21) cm~(–3)以及最小的电阻率3.42×10~(–4)?·cm,这可归结为适量F的存在产生不同的缺陷影响。(200)面择优取向FTO薄膜光致发光谱可用于表征不同缺陷形式的跃迁。     

氧化铜/钒酸铋异质结薄膜的制备及其光电性能研究

采用电化学沉积法在FTO玻璃上制备了具有纳米多孔网状结构的氧化铜/钒酸铋薄膜。利用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）对薄膜做成分及结构分析,采用线性伏安扫描（LSV）、频率阻抗测试（EIS）对薄膜做光电性能测试。氧化铜的掺入能够提高钒酸铋薄膜的光电性能,在1.23 Vvs.RHE时,40 mmol/L 氧化铜/钒酸铋薄膜的光电流密度为1.39 mA/cm²,比纯钒酸铋薄膜的光电流密度（0.7 mA/cm²）增大了1倍左右。结果表明,纳米多孔的网状结构,提高了薄膜对光的利用效率,同时也增加了薄膜和电解液的接触面积。氧化铜和钒酸铋复合形成异质结后,抑制了光生电子-空穴对的复合,从而提高了氧化铜/钒酸铋薄膜的光电流密度。     

射频反应磁控溅射制备的SnO_2及SnO_2:F薄膜结构与透明导电性能

以Sn和Sn+SnF_2为靶材,采用射频(RF)反应磁控溅射法在150℃不同O_2流量下制备了厚度约为300 nm的SnO_2和SnO_2:F薄膜。通过X射线衍射、Hall效应测试系统和紫外–可见分光光度计研究了两种薄膜的结构和透明导电性能。结果表明:随O_2流量增加,SnO_2薄膜由非晶变为多晶,择优取向从(101)面过渡到(211)面,薄膜电阻先减小后增大,平均透光率逐渐上升。随O_2流量增加,SnO_2:F薄膜结构与透明导电性能的变化规律与SnO_2薄膜类似,SnO_2:F薄膜的择优取向依次为(002)、(101)和(211)面,由于F掺杂,SnO_2:F薄膜的载流子浓度和迁移率明显增加,电阻率降低,同时平均透过率有所提高。目前,在合适的O_2流量下,SnO_2:F薄膜可达到的最低电阻率为4.16×10~(–3) ?·cm,同时其平均透光率为86.5%。     

喷雾热解法制备SnO2:Sb透明导电薄膜

采用喷雾热解技术制备出了光电性能优良的SnO_2:Sb透明导电薄膜,对薄膜的结构特性、光电性质以及制备条件对薄膜性能的影响进行了研究。并进一步研究了喷雾热解法中薄膜的形成过程和工艺参数对薄膜微观结构和性能的影响。实验结果表明:在Sb掺杂量为11％(摩尔分数)和基板温度为500℃的条件下,SnO_2:Sb薄膜具有最佳的光电性能,平均可见光透过率为82％,方块电阻达13.4Ω/□,电阻率为4.9×10~(-4)Ω·cm。     

RGO/In_2S_3复合修饰TiO_2纳米管阵列及其光催化应用

采用脉冲电沉积法将In_2S_3纳米粒子沉积在TiO_2纳米管阵列(NTs)上,得到In_2S_3–TiO_2 NTs。然后通过脉冲电沉积法将石墨烯薄膜修饰在In_2S_3–TiO_2 NTs上,制备出RGO/In_2S_3–TiO_2 NTs复合材料。通过光电流测试和2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)降解试验表征了RGO/In_2S_3–TiO_2 NTs的光电性能和光催化性能。结果表明:相对于纯TiO_2 NTs,RGO/In_2S_3–TiO_2 NTs复合材料的光生电子-空穴对的复合率更低,对可见光的吸收更强。光催化180 min后,RGO/In_2S_3–TiO_2 NTs复合材料对2,4-D的降解效率高达93.36%,重复使用5次后仍有90.70%。     

电化学氟化提高TiO_2薄膜光电催化性能

为了提高二氧化钛(TiO_2)薄膜光电性能,采用电化学氟化制备氟化二氧化钛薄膜(F-TiO_2),优化电压、时间、氟离子浓度对F-TiO_2光电性能的影响,考察F-TiO_2薄膜光电催化As(Ⅲ)和苯酚的性能,并测试F-TiO_2薄膜光吸收性质,F-TiO_2在400℃焙烧后光电流以及TiO_2薄膜电极在含氟水溶液中光电流,分析F-TiO_2光电催化性能提高的原因。结果表明:最佳氟化条件为10 V、5 min、0.5%NaF;在0.8 V,N2条件下,F-TiO_2稳态光电流提高约2.6倍;在0.8V,空气条件下,光电催化As(Ⅲ)和苯酚速率提高2.0倍左右。电化学表面氟化形成化学键氟可能是提高TiO_2光电催化性能的主要因素。     

液相沉积纳米TiO2薄膜及后热处理对染料敏化太阳能电池的影响

以液相沉积法在常温下于ITO透明导电玻璃上制备染料敏化二氧化钛太阳能电池中的二氧化钛层,并加以封装成ITO glass/[TiO2(N3 dye)]/I2 LiI electrolyte/Pt/ITO glass组件,探讨不同后热处理温度对于二氧化钛层的微观结构及染料敏化太阳电池组件光伏特性的影响.实验结果显示:随着热处理温度的提高,TiO2薄膜由非晶转为锐钛矿相结构,表面生成许多小缝隙、锥突及纤毛,使组件短路光电流明显提升10倍以上.最高短路光电流0.036 mA/cm2发生在沉积24 h并经600 ℃后热处理的镀膜上.     

SnO_2/RGO复合光阳极的制备及其对染料敏化太阳能电池性能的影响

采用原位化学法合成不同质量比的SnO_2/还原氧化石墨烯(RGO)纳米复合材料,通过溶胶-凝胶法制得SnO_2/RGO纳米复合薄膜光阳极。经N3染料浸渍,与Pt对电极,I~-/I_3~-电解质组装成染料敏化太阳能电池(DSSC)。对SnO_2/RGO纳米复合薄膜光阳极结构进行分析,通过伏安特性曲线分析了电池的光电性能。结果表明:石墨烯有利于提高SnO_2基DSSC的光电性能。当GO与SnCl_2·2H_2O的质量比为0.20时,电池的性能最优,短路电流密度(J(sc))和开路电压(U_(oc))分别达到15.56 mA/cm~2和0.56 V,光电转换效率为4.58%。并研究了SnO_2/RGO复合材料对光阳极的电子传输和光电转换效率的影响机制。     

异质界面个数对PbZr_(0.52)Ti_(0.48)O_3/Ba(Mg_(1/3)Ta_(2/3))O_3薄膜铁电性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备PbZr_(0.52)Ti_(0.48)O_3(PZT)薄膜前驱体溶液,采用水溶液凝胶法制备Ba(Mg_1/_3Ta_2/_3)O_3(BMT)薄膜前驱体溶液。研究了异质界面个数对PZT/BMT薄膜微观形貌、铁电性能的影响。在PZT/BMT薄膜中,PZT薄膜没有裂纹、结晶良好,界面个数的增加有利于PZT薄膜结构的致密。界面个数的增加可降低PZT/BMT薄膜剩余极化值和矫顽场。PZT/BMT薄膜在适当偏置电场下存在一个介电峰值,且正负偏置电场下的介电峰值不同,介电偏压特性曲线呈现不对称分布。采用二极管等效界面势垒和对薄膜电滞回线求导可有效解释介电偏压特性曲线不对称和介电峰值的差异。     

不同Sn含量氧化铟锡靶材的制备及其第二相特征

以气化In_2O_3和SnO_2粉为原料,在原料体系中按照SnO_2为4%(质量分数)、6%、8%和10%的比例分别与In_2O_3混料,使用模压辅助冷等静压(CIP)成型的方法制备出ITO(氧化铟锡)靶材坯体,并在1 550℃氧气氛条件下烧结,制得不同Sn含量的ITO靶材;将靶材试样粉碎、过筛后腐蚀,并提取腐蚀产物,对不同Sn含量靶材表面及腐蚀产物的显微组织、物相组成、密度和电阻率进行了观察和测试,并进行分析。结果表明:腐蚀产物为ITO靶材第二相In_4Sn_3O_(12);ITO靶材的晶粒尺寸随SnO_2含量的增加而减小,晶界第二相总量逐渐提高并稳定在3μm以下;靶材晶内小颗粒尺寸随SnO_2含量的增加而增大,并稳定在100 nm以下;靶材第二相均出现微量失氧,且失氧率均在1.1%左右;靶材的实际密度和理论密度均随SnO_2含量的增加而提高,其中,实测密度由7.110 g/cm~3提高至7.145 g/cm~3;靶材电阻率随SnO_2含量的增加而提高,由1.3×10~(–4)?·cm提高至约1.9×10~(–4)?·cm。     

La2Mo2O9掺杂钛酸铋钠铁电陶瓷的微观结构与光电性能

铁电陶瓷的极化内建电场可分离光生载流子并有效降低载流子间的复合率,但是其高带隙限制了对光的吸收。本文以具有良好铁电性能的Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)陶瓷为基体,通过掺杂La₂Mo₂O₉降低光学带隙,提高光电流密度。样品使用传统固相法制备,随后分析了此陶瓷的XRD、拉曼、光吸收、光电流、铁电和介电性质。结果表明,La₂Mo₂O₉掺杂能显著提高光吸收强度,随其含量增加,光学带隙值先明显下降,然后缓慢增加。在掺杂含量为0.7%(摩尔分数)时,陶瓷的带隙值最低为1.57 eV,远低于纯BNT陶瓷的2.9 eV,对应的最大光电流密度和开路电压为71.06 nA/cm²和4.40 V,得到的最大输出功率为312.7 nW/cm²,并且随时间增加变化不大,同时保持很好的铁电性能。研究结果表明,La₂Mo₂O₉改性BNT铁电陶瓷是一种非常有前景的铁电光伏材料。     

Bi_(0.9)La_(0.1)FeO_3铁电薄膜光伏效应研究

通过脉冲激光沉积技术在(001)方向的La_(0.7)Sr_(0.3)Mn O_3/Sr Ti O_3上制备了厚度为500 nm的Bi_(0.9)La_(0.1)FeO_3铁电薄膜,研究了薄膜中的光伏效应。结果表明,铁电薄膜中短路光电流的方向不依赖于整流方向,但始终与极化方向相反,其大小随极化强度的增加变大,并且在净极化强度为零时短路光电流恰好为零。然而,当畴壁浓度或氧空位分布的影响足以补偿由极化所产生的效果时,短路光电流不依赖于极化方向。通过改变畴壁浓度或者氧空位分布,不改变极化方向时可以使得短路光电流的方向发生转变;通过改变氧空位的分布,极化方向改变时,光电流的方向也可以不变。我们的结果为通过改变极化方向、氧空位分布、界面势垒的高度以及电畴密度等因素来调控铁电薄膜中光伏效应具有一定的价值。     

铌镁酸钡缓冲层对锆钛酸铅薄膜漏电流的抑制

将铌镁酸钡(Ba(Mg1/3Nb2/3)O3,BMN)作为缓冲层,通过溶胶-凝胶法制备了锆钛酸铅(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3,PZT)铁电薄膜.探究BMN缓冲层对PZT铁电薄膜介电、铁电性能影响.研究发现:BMN缓冲层不仅可以改善PZT薄膜晶化生长,同时阻碍了PZT与Pt的互扩散而降低了漏电流.由于对漏电流的抑制作用,适当厚度BMN缓冲层的引入可改善PZT的铁电性能,但随着缓冲层厚度的增加,由于其分压作用,复合膜铁电性减弱.当厚度为10 nm时,薄膜的综合性能最好:介电常数εr=1612.03,介电损耗tanδ=0.024,剩余极化值Pr=31.65 μC/cm2,矫顽场Ec=71.5 kV/cm,漏电流密度J=4.4×10-6 A/cm2.     

钽镁酸钡缓冲层对锆钛酸铅铁电薄膜性能的影响

采用溶胶–凝胶工艺在Pt/Ti/Si O2/Si基片上,通过引入钽镁酸钡[Ba(Mg1/3Ta2/3)O3,BMT]缓冲层,制备了锆钛酸铅[Pb(Zr0.52Ti0.48)O3,PZT]铁电薄膜。研究了BMT缓冲层对PZT铁电薄膜结晶和性能的影响。结果表明:引入BMT缓冲层利于PZT薄膜的生长;PZT薄膜具有钙钛矿结构,且没有裂纹、结晶良好、致密性好;缓冲层的厚度对PZT铁电薄膜的微观结构和铁电性能有重要影响。随BMT缓冲层厚度增加,PZT晶粒增大,介电损耗tanδ逐渐减少,介电常数εr和剩余极化强度Pr先增大后减少,矫顽场Ec先减少后增大。当BMT缓冲层厚约为10 nm时,PZT薄膜具有最优的铁电性能:εr=1 850,Pr=20.2μC/cm2,Ec=43.9 k V/mm。这与BMT与PZT具有相似的晶格常数、较小的晶格失配度和相近的禁带宽度有关。     

纯氧高气压溅射PZT铁电薄膜

用Pb(Zn0.55Ti0.45)O3烧结陶瓷作为靶材,在纯氧、高气压溅射条件下成功地原位沉积了锆钛酸铅(lead zirconate titanate,PZT)铁电薄膜。为了弥补靶材在烧结过程中Pb的挥发及溅射成膜过程中发生Pb的损失,以PbO计,加入了质量分数为5．0％的过量Pb3O4。实验发现：当最佳靶-基片距离一定时,n(Pb)／n(Zr Ti)成份偏析的比例随最佳靶-基片距离偏差的增加而降低。PZT铁电薄膜的X射线衍射分析表明,PZT铁电薄膜中存在PbO和钛锆固溶型氧化物,但无焦绿石相。PZT铁电薄膜的铁电性测量表明:剩余极化Px达到14．1μc／cm^2,矫顽电场Ec较小,Ec与Pb(Zr0.55Ti0.45)O2烧结陶瓷靶材的值相当,其电滞回线具有很好的对称性。     

WO3/Bi2WO6复合薄膜的制备及其光电化学性能

以导电玻璃为基底采用水热法制备了WO3纳米片薄膜,再通过溶剂热法改变不同溶剂热反应时间(6、8和10 h)在WO3纳米片薄膜上生长Bi2WO6制备了WO3/Bi2WO6复合薄膜.利用XRD、SEM、UV-Vis、光电流、光电催化和交流阻抗对WO3/Bi2WO6复合薄膜的结构和光电性能进行表征与测定.结果表明,WO3纳米片薄膜的光电流密度为0.74 mA/cm2,对质量浓度为6.0 mg/L亚甲基蓝的光电催化效率为47.9％.不同WO3/Bi2WO6复合薄膜的光电化学性能均优于单一WO3纳米薄膜,且溶剂热反应时间为8 h的WO3/Bi2WO6复合薄膜具有最高的光电流密度(1.22 mA/cm2)和最优的光电催化效率(58.6％).WO3/Bi2WO6复合薄膜有效降低了复合薄膜内部电子阻抗,增加了有效光电化学反应位点,显著提升了光电化学性能.     

基于TiO_2/多壁碳纳米管复合光阳极和SnO_2/多壁碳纳米管非铂对电极的染料敏化太阳能电池电子传输的改善（英文）

为了提高TiO_2光阳极的电子传输速率,在TiO_2中负载了多壁碳纳米管(MWCNTs)。采用溶胶–凝胶水热法制备了TiO_2/MWCNTs复合溶胶,利用电流体动力学方法制备了均匀的TiO_2/MWCNTs复合薄膜,并用TiCl_4对薄膜进行了优化。用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪和紫外可见吸收光谱仪对样品进行了表征分析。利用电化学阻抗谱和电流密度–电压曲线分析了基于TiO_2/MWCNTs复合光阳极和SnO_2/MWCNTs对电极的染料敏化太阳能电池(DSSC)的光电性能。结果表明,MWCNTs的加入极大地加速了电子在薄膜中的传输,减少了电子与氧化态染料和I_3~–的复合;基于CNT-0.12(质量分数0.12%)复合光阳极的DSSC性能最佳(V_(OC)=0.70 V,J_(SC)=13.0 m A/cm~2,η_(FF)=0.64,η=5.80%),与基于纯TiO_2光阳极的DSSC(η=4.44%)相比,能量转换效率提高了30.6%。     

掺杂对二氧化锡薄膜光电性能的影响

二氧化锡(SnO_2)是一种重要的透明导电金属氧化物半导体材料,掺杂可使其光电性能得到显著改善,拓展其应用领域。分析了SnO_2薄膜的导电机制、载流子散射机理及近年来国内外学者对不同类型掺杂的SnO_2薄膜的研究。掺杂引入的缺陷能级增加了载流子浓度,提高了薄膜的导电性。杂质离子散射和晶界散射是影响薄膜载流子迁移率的主要散射机制。光电性能严重依赖于掺杂元素的种类及掺杂量,多元共掺杂是极具发展潜力的方法。     

电化学Fe掺杂增强FTO薄膜的可见光光电化学性能

通过在Fe SO4溶液中将FTO(F掺杂SnO_2)导电玻璃电化学阴极极化,随后在500°C空气中热氧化,制备出对可见光有响应的Fe掺杂FTO薄膜。用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征了薄膜的形貌、结构和表面特性。在可见光下测试了薄膜在1.0 mol/L NaOH溶液中零偏压下的光电流-时间曲线。结果显示,电化学修饰后的FTO薄膜表面呈纳米多孔形貌,薄膜中有1%(原子分数)左右的Fe元素掺杂且存在正交结构SnO_2和四方结构SnO_2两种物相。Fe掺杂FTO的光电流密度为0.5μA/cm~2,比无Fe掺杂的FTO薄膜(0.019μA/cm~2)显著增强。