铁电光伏器件

铁电光伏效应光伏效应的结构示意图(a)半导体p-n结(b)铁电光伏铁电光伏效应的原理体光伏效应光生电压产生于铁电材料的内部，因此称为“体光伏效应”，铁电材料则作为“电流源”。光照下产生的稳定电流(光生电流：Js)与具有非中心对称铁电材料的性质有关。在具有非中心对称晶体中，电子从动量为k的状态向动量为k’状态所跃迁的概率与其从动量为k’的状态向动量为k状态跃迁的概率不同，导致了光生载流子的动量分布不对称，从而在光照下能形成稳定的电流。畴壁理论畴壁理论认为，由于极化强度在垂直于畴壁处会产生一个分量，其在畴壁处产生的电压为～10mV，畴壁宽度约为2nm，因此极化在畴壁处产生的电场高达5×106V/m，此值远大于p-n结中的内电场，被认为铁电材料产生反常光伏效应的起源，也是分离光生载流子的主要驱动力。由于铁电材料中有很多电畴，被极化之后畴与畴之间首尾相连，而畴壁就像串联起来的纳米级光伏发电机，光生电压沿着极化方向逐渐累加起来。肖特基结效应当铁电材料与电极接触形成肖特基势垒时，界面处能带将会弯曲，光照下产生的电子空穴对将被电极附近局部电场驱动，产生的光电流很大程度是由肖特基势垒和耗尽层的深度决定。根据这一模型，在肖特基势垒内部所产生光生电压的大小依然局限于铁电材料的带隙，在研究铁电光伏效应的早期阶段肖特基效应所引起的电压常被忽略，是因为它远远低于大部分铁电晶体中的反常光生电压。但肖特基效应在铁电薄膜光伏器件中变得越来越重要，因为这些器件中的光伏电压输出通常比较小。一般来说，由相同电极与铁电材料构成的具有三明治结构的铁电光伏器件中，肖特基势垒产生光电流的贡献是不存在的，因为由上下两个相同的电极与铁电材料所构成的两个肖特基结是背靠背的，相互遏制，因此所产生的光生电压和电流相抵消。然而，若采用不同类型的电极，可以实现具有垂直结构的铁电光伏器件中光伏效应的增强。由于肖特基结效应与铁电材料的极化方向无关，根据这一特点就可以区分肖特基结和体光伏效应对光电流的贡献。退极化场效应对于处于极化状态的铁电薄膜而言，薄膜表面具有高浓度的极化电荷，如果不考虑屏蔽效应，这些高密度的极化电荷将会在铁电层内产生一个巨大的电场。以BFO薄膜为例，其剩余极化强度约为100μC·cm-2，未被屏蔽的极化电荷所产生的电场可达3×1010V/m。当铁电薄膜与金属或半导体接触时，剩余极化引起的表面电荷将会被金属或半导体中的自由电荷部分屏蔽。通常，表面电荷之所以不完全被屏蔽因为极化电荷和自由补偿电荷重心不重合，在整个铁电薄膜内部就产生电场，即退极化场。退极化场可能很大，例如对于厚度为10～30nm的BTO薄膜而言，由BTO与SrRuO3电极构成的三明治结构中的退极化场约为45×106V/m。如此高的退极化场被认为是分离光生载流子的主要驱动力，同时也表明反常光伏效应与极化电荷的屏蔽程度密切相关。铁电光伏性能调控机制界面效应界面结构与状态(包括界面形成的肖特基势垒高度、界面层厚度等)对铁电薄膜光伏特性有重要影响。电极配置不同,铁电薄膜的界面结构与状态就不同,从而对光伏特性产生显著影响。尺度效应铁电薄膜的尺度包括膜厚、晶粒尺寸、电畴尺寸。一般而言,随着膜厚的减小,光生电压逐渐下降,光生电流逐渐增大。空间电荷效应多晶铁电薄膜的晶界、电极与薄膜界面上均存在空间电荷,这将直接影响到铁电薄膜的光伏特性。存在问题及前景PZT、PLZT、BNT、钛酸钡等铁电薄膜均为宽带隙半导体(Eg>3eV),对可见光基本是透过的,且它们的导电性较差,产生的光生电流很小,无法真正用作太阳能电池材料。具有较大剩余极化强度、窄带隙的BFO多铁薄膜对可见光有良好响应,有望成为铁电太阳能电池材料,但其光电转换效率目前仍然很低。为此,必须突破制约铁电薄膜光电转换效率的瓶颈。铁电薄膜的光生电流可以通过增大薄膜的剩余极化强度、增加上下界面非对称程度(减少膜厚、采用不同上下电极材料)、增加薄膜对光的吸收(采用透明电极、复合窄带材料)等措施来实现。但这些手段及相关研究都是宏观层面的,而铁电材料之所以具有反常光生伏打效应,与其电畴结构是紧密相关的,且已有文献表明铁电材料的带隙在畴壁处有一定程度下降,不同电畴壁的导电性存在差异,电畴的导电性也是影响铁电材料光伏特性很重要的一个因素。因此,铁电材料的光电转换效率必然和电畴结构存在内在联系,必须弄清铁电材料光伏形成机制,尤其是由电畴驱动的光伏机制。铁电薄膜晶粒尺寸、电畴尺寸与光伏特性的关系研究。晶粒尺寸、电畴尺寸对铁电薄膜铁电性有明显影响,但关于晶粒尺寸、电畴尺寸与光伏特性的关系尚未见报道。找出电畴尺寸与光伏特性关系,有助于揭示铁电光伏形成机制,从而掌握通过控制电畴调控铁电薄膜光伏特性的方法。铁电薄膜的电畴结构可通过外电场较为容易地控制,而电畴结构与其光伏特性是存在内在联系的,因此通过外电场能实现铁电薄膜的光伏输出的调控。而铁酸铋多铁材料具有的磁电耦合特性使得其光伏特性的调控可望通过电场、磁场两种不同方式来实现,但机制还需要进一步研究,铁电材料光伏特性可通过电场、磁场调控的这种特性使其有望成为新型光敏感多功能材料。铁电-半导体耦合光伏器件2008年美国Toledo大学的Shvydka和Karpov首先提出了一种新型的光伏器件模型:光伏器件内建电场产生机理,这种模型在以往光伏技术研究中一直没有得到关注。与传统PN结不同的是，该光伏器件是由具有铁电特性的纳米颗粒矩阵的极化电场来产生内建电场，而填充在纳米偶极子颗粒之间的半导体介质充当吸光材料的角色。在光照条件下，半导体吸光材料吸收可见光，产生光生载流子。后者在极化场的作用下分离，并向电池两极运动，对外电路输出功率，完成