鐵酸鉍基薄膜的制備及其鐵電和光伏性能的研究.pdf

1、隨著集成鐵電學的發(fā)展和薄膜制備工藝的不斷進步,以鐵酸鉍材料為代表的單相多鐵材料再次引起了研究人員的關注。隨著研究者們大量的實驗研究,目前鐵酸鉍材料不管是在理論上還是在實驗上都取得了實質性的進展。伴隨著高極化、低漏電的鐵酸鉍薄膜不斷地被成功制備的同時,科學家們又發(fā)現了鐵酸鉍的另一個應用領域—光伏。鐵酸鉍是窄帶隙鐵電體,由于帶隙窄可以吸收可見光，鐵電材料的極化特性,使得鐵電薄膜材料能夠有效分離光生電子空穴對從而產生光伏效應,為高效穩(wěn)定的太陽

2、能電池的制備,以及相應光電器件的發(fā)展提供了一個新的途徑。
　　本文通過溶膠－凝膠法，在 FTO玻璃基底上制備了BFO薄膜和La離子摻雜的BFO薄膜，并對其進行不同條件下的退火處理。并通過XRD、SEM、鐵電漏電、紫外可見光吸收以及光電流等測試對其進行結構、形貌以及性能的分析研究。主要工作如下：
　　1、通過溶膠－凝膠法，在 FTO玻璃基底上制備了450℃,500℃,550℃空氣中退火的BFO薄膜。本章使用乙二醇作為溶劑使得配

3、置的前驅體濃度達到0.4mol/L，相比以往的薄膜制備工藝，可以有效減少薄膜制備的層數，從而減少雜質的引入，而且合成技術具有工藝簡單、合成溫度低、對設備要求低等優(yōu)勢。XRD測試結果表明BFO薄膜在550℃時有較好的成相而且與標準卡片相一致。SEM圖像表明BFO薄膜樣品的晶粒尺寸會隨著溫度的上升而變大，也使得薄膜表面的孔隙在變少，薄膜的致密性變得更好。除此之外，紫外可吸收譜說明BFO薄膜在經過550℃退火之后，其帶隙可以調節(jié)至2.54eV

4、。而光伏性能測試結果表明BFO薄膜在經過550℃退火之后才具有比較明顯的光伏效應，在紫外光照條件下其開路電壓及短路電流分別為0.15V、4.58mA/cm2。這也使得BFO薄膜可以成為光伏電池材料很好的一個選擇。
　　2、采用溶膠-凝膠法在FTO襯底上制備BFO薄膜，分別在空氣和氮氣條件下進行快速退火。探討了不同退火氣氛對其結構、鐵電和光伏性能的影響。XRD和SEM結果表明:N2退火條件下BFO的晶粒尺寸比空氣退火條件下的晶粒尺寸

5、略小，而且表面的致密性更好。薄膜漏電與鐵電測量表明:N2退火條件下的BFO薄膜的漏電流更好而且剩余極化強度也更大。N2退火條件下的BFO薄膜的吸收波長范圍比空氣中的更寬，強度更高，其帶隙變?yōu)?.33eV，在紫外光照條件下其開路電壓及短路電流分別為0.31V、6.21mA/cm2。這也說明N2條件下退火有助于提高BFO薄膜的鐵電性與光伏性能。與上一章中改變退火溫度對BFO薄膜光伏性能的影響相比，N2氣氛處理對其光伏性能的改善更加明顯，有利

6、于對其機理進行研究，而且操作簡單、成本較低。
　　3、用溶膠凝膠法在N2中550℃的快速退火條件下在FTO透明導電玻璃上制備了摻雜La3+的雙層BFO薄膜，并討論了La3+的摻雜對BFO薄膜的結構、形貌以及漏電流和光伏性能的影響。XRD與SEM表明，該種方法可以制備出具有純相結構的BFO薄膜。漏電流圖譜表明La摻雜可以有效地抑制Bi元素的揮發(fā)產生的孔隙和Fe變價導致的氧空位的數量，從而使薄膜的致密性更好，能夠有效地減少漏電流密度。

7、紫外可見光吸收顯示La摻雜可以減小BFO薄膜的帶隙，通過光伏效應測試發(fā)現當摻雜La之后，BFO薄膜的開路電壓從未摻雜的0.014V增大到0.2V，短路電流密度也從1.27增強到1.87mA/cm2，而且其半導體性也變得更加明顯。這說明La摻雜的BFO薄膜在光伏領域有潛在的商業(yè)應用前景。與前兩章相比，薄膜的制備過程具有很強的可控制性，可有效減少外界對薄膜性能的干擾。并驗證了La摻雜對BFO薄膜性能影響的相關機理。本章中制備的薄膜樣品，其在