【摘 要】
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作为目前发现的唯一室温多铁性材料,铁酸铋（BiFeO3,BFO）薄膜具有丰富的相结构、合适的光学禁带宽度、大的铁电极化强度及丰富的铁电畴结构。利用铁电光伏效应,BFO薄膜在太阳能电池、光电存储等领域有潜在的应用前景。然而受限于较低的载流子迁移率及大的漏电流,BFO薄膜很难兼具大的光生电流、光生电压及能量转换效率。因此,需要探索提升BFO薄膜铁电光伏性能的新途径。本论文采用稀土Eu3+掺杂的方式,系
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作为目前发现的唯一室温多铁性材料,铁酸铋（BiFeO3,BFO）薄膜具有丰富的相结构、合适的光学禁带宽度、大的铁电极化强度及丰富的铁电畴结构。利用铁电光伏效应,BFO薄膜在太阳能电池、光电存储等领域有潜在的应用前景。然而受限于较低的载流子迁移率及大的漏电流,BFO薄膜很难兼具大的光生电流、光生电压及能量转换效率。因此,需要探索提升BFO薄膜铁电光伏性能的新途径。本论文采用稀土Eu3+掺杂的方式,系统研究了 Eu3+掺杂量对在YAlO3（001）衬底上外延生长的BFO薄膜的相结构、光学性能、铁电性能和光伏效应的影响。发现由于Eu3+具有较小的离子半径,掺杂后将降低BFO的晶格常数。5%的掺杂量即可以引起从铁电四方相到铁电菱方相的转变。伴随这一结构转变,薄膜的光学禁带宽度从3.36 eV大幅降低至2.62 eV,并且其铁电极化翻转所需的矫顽场也有所降低。基于上述实验结果,我们制备了 ITO/EuxBi1-xFeO3/Ca0.96Ce0.04MnO3（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）铁电光伏器件,并在365 nm紫外光照条件下测试了器件的光伏效应。实验观察到可随铁电极化方向翻转的光伏效应,并结合肖特基结理论和退极化场理论解释了该现象。我们发现随着Eu3+掺杂量的提高,短路电流密度减小,这是因为相较于四方相,菱方相具有更低的铁电极化强度和退极化场。开路电压先随着Eu3+掺杂量的提高而增大,这是源于光学禁带宽度以及漏电性的大幅降低。但当掺杂量高于10%时,由于Bi元素被替代导致的铁电极化失稳,开路电压降低光伏性能恶化。研究结果表明适量Eu3+掺杂可有效提升铁酸铋器件的光伏性能。
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