柔性窄带隙铌镍酸钡-铌酸钾薄膜制备及光电性能调控研究

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铌镍酸钡-铌酸钾[KNb O3]0.9[Ba Ni1/2Nb1/2O3]0.1(KBNNO)铁电半导体薄膜因具有窄带隙、稳定的光伏输出特点,在铁电光伏器件中显示出重要的应用前景。但目前所报道的KBNNO薄膜存在光生电流低的问题,国内外采用引入不同掺杂离子及调节掺杂浓度来调控光电流,提升幅度小,且这类方法属于静态的调控方法,不能够重复调节,如果能够寻找一种全新的途径来实现动态、可逆调控增强KBNNO薄膜光电流将具有重要意义。基于此,本论文提出在无机云母(Mica)衬底上探索生长柔性KBNNO薄膜,并结合原位电场极化以及由应变梯度引起的挠曲电场,实现对KBNNO铁电薄膜光电流的原位、动态、可逆调控,增强光电流输出以促进其在铁电光伏器件中的应用。主要研究内容与结果如下:(1)首先以醋酸镍、硝酸镧为原料,通过溶胶凝胶(Sol-gel)的方法在Mica衬底上制备表面平整光滑,电阻率低的电极层La Ni O3(LNO);接着以乙酸钾、乙酸钡、乙醇铌、乙酸镍为原料制备出了稳定的KBNNO前驱液,研究了不同退火温度和退火方式对薄膜的结构及光电性能的影响规律,制备出高质量,弯曲曲率半径可达到3.9 mm的KBNNO柔性铁电薄膜。结果表明:当退火温度为700°C时,未极化的KBNNO铁电薄膜表现出致密的形貌和优良的介电、铁电和光电性能。优化后的介电常数和损耗分别为309和0.13,剩余极化强度Pr和矫顽场EC分别为3.76μC/cm2和9.70 k V/mm,短路电流密度JSC达8.09μA/cm2。(2)研究了原位电场极化对KBNNO薄膜光电流的影响,使用直流电源对KBNNO薄膜进行直流极化,探究不同的极化条件对KBNNO光电流的影响。结果发现:在经过-9 V直流电压极化后,薄膜的短路光电流密度JSC从8.09μA/cm2提升至10.71μA/cm2,提高32%。这源自于在-9 V极化所产生的去极化场(Edp)的方向与KBNNO内建电场的方向一致,可以驱动更多的光生载流子分离,因此导致了光电性能的提高。(3)研究了原位电场结合挠曲电场极化对KBNNO薄膜光电流的影响,首先对薄膜进行直流极化,然后对云母衬底进行弯曲实验,结果发现与未弯曲的原始状态相比,极化并弯曲的KBNNO柔性薄膜,其短路电流密度进一步增加到12.1μA/cm2,相比极化前未弯曲的状态下提高约50%,其相应的原因为将柔性薄膜弯曲,挠曲电效应产生有效的向下的挠曲电极化。因此,会产生额外的挠曲电场Eflexo与向上的原位极化电场相耦合,分离更多的光生载流子对以增强光电性能。本论文的结果为开发多功能柔性铁电光伏器件提供了参考。
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