铋基氧化物半导体薄膜的制备与光伏性能研究

【摘要】：化石燃料的短缺及其使用对环境所带来的损害使得太阳能的开发利用成为热门。太阳能是一种清洁能源，光伏材料的开发也因此成为一个研究热门。光伏材料是能将太阳光直接转换成电能的材料。只有半导体材料具有这种功能，且半导体的光吸收和其能带有关。铋基金属氧化物半导体由于其有趣的物理化学性质，包括铁电性、非线性光学效应、光电性质和光催化性质在医药、催化剂、电子等领域越来越得到重视。铁酸铋BiFeO3（BFO）和钒酸铋BiVO4（BVO）两种典型的铋基氧化物半导体。由于其低的能带（2.2～2.8eV）从而在可见光区域内都有光吸收。BiFeO3和BiVO4作为低能带材料有望在光伏电池研究领域得到了极大的关注。 本文的研究目标为通过化学沉积法在掺氟的氧化锡透明导电玻璃（FTO）基片上制备多晶BFO和BVO薄膜。对沉积的薄膜进行物相和形貌的分析并研究其各自的光伏效应。在此基础上研究了纳米级厚度BFO薄膜沉积在BVO和FTO之间时对BVO的光伏性能的影响。 本文主要工作及研究结论如下： 1）首先在传统化学沉积法的基础上对其进行改善，利用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）作为溶剂配置前驱体溶剂。分析了溶剂对BFO薄膜结构的影响。通过与传统的溶剂乙二醇甲醚相比较，发现用DMF溶剂制备的BFO薄膜具有有别于传统仿立方体结构的菱方结构，这种菱方结构是BFO薄膜在成膜过程中内应力得到逐渐缓释所导致的。这个结果说明DMF有利于降低在成膜过程中形成的内应力，且薄膜的表面具有均匀的结构。光透过率和能带研究表明这种菱方结构薄膜的能带为2.5eV，比传统的仿立方体结构的能带（2.76eV）要低。光伏测试表明，不同的上电极会对BFO薄膜的光伏效应产生明显影响。透明氧化物电极（包括ITO和AZO）相对于金属Au电极具有更好的效果。BFO中的光伏电流方向不是由上下电极半导体接触势垒所形成的内建电场决定的，而是决定于BFO中的自极化诱导的退极化场方向来决定的。AZO电极的使用能够提供和ITO电极相当的光伏效应。ITO作为上电极时光伏效应最大，开路电压VOC大小能够达到0.65eV，短路电流JSC为130μA/cm2。研究结果表明AZO作为一种廉价和原料丰富的材料有望代替ITO电极在光伏研究领域得到广泛应用。 2）为研发一种即安全成本又低的制备BVO薄膜的制备方法，首次采用Bi(NO3)35H2O和NH3VO3（摩尔比按照Bi:V=1:1）为原料，并利用DMF、乙醇胺和乙酸作为溶剂，配制出BVO前驱体溶液，并采用化学沉积法在FTO基片上成功制备出了具有单一的单斜多晶结构BVO薄膜。形貌和结构分析表明所制备的BVO薄膜具有均匀的表面形貌和结构，光透过率光谱和能带分析表明这种BVO薄膜的能带为2.66eV。与文献中报道的BVO薄膜能带（2.4~2.8eV）一致。利用Au作为上电极研究了BVO薄膜的光伏性能，光伏电池的VOC为0.2V，JSC达到了60μA/cm2。能带分析表明BVO薄膜的光伏效应主要归功于低的能带和Au与BVO形成的肖特基势垒，且BVO薄膜的光电流方向取决于肖特基势垒所形成内建电场的方向。 3）本文最后在BVO和BFO的制备基础上，研究了一层纳米厚度BFO铁电层对BVO光伏效应的影响，将BFO层引入到BVO和FTO之间，研究其光伏效应。物相分析表明，在BFO上沉积的BVO晶体结构和在FTO上的一样，并没有因为基底的变化而改变，BFO都表现出菱方结构。光透过率表明加入一层BFO后并没有明显改变BVO/FTO的光吸收图谱。Au/BVO/BFO/FTO异质结结构薄膜电池的光伏效应相对于Au/BVO/FTO结构得到了很大的提高，VOC和JSC大小分别为1V和140μA/cm2，分别提高了5倍和2.3倍。光伏效率增加了一个数量级以上，达到了3.9×10-2%。首先对于纳米层厚度BFO的暗场电流研究表明Au/BFO/FTO结构的暗场J-V曲线为对称曲线且电流和电压呈线性关系，表明BFO和FTO之间的接触为欧姆式接触，Au和BFO之间的接触也表现出欧姆式接触而并不是理想的金属半导体肖特基式接触，这可能是因为纳米层BFO中存在高的载流子密度而使Au和BFO之间形成了隧道穿过效应。BFO层的加入使Au/BVO/BFO/FTO结构的光电流曲线相对于Au/BVO/FTO结构发生了转向。原因首先是由于BFO中自极化诱导退极化场的存在下导致BFO/FTO界面存在内建电场，其次是BFO/BVO界面由于能带的差别形成了界面内建电场，这两个界面的内建电场和Au/BVO界面内建电场的方向相反且抵消了Au/BVO的肖特基势垒，总的内建电场发生了转向，从而使电流方向发生了反转。此研究成果表明纳米层厚度的BFO铁电薄膜有望能够应用于铜铟镓硒、发光二极管和其它光电器件中起到改变电流和增强光伏效应的作用。 【关键词】：铋基氧化物 半导体薄膜 光伏效应 化学溶液沉积
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN304.055
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 铋基氧化物半导体薄膜的简介及其性能13
• 1.2 薄膜的制备方法13-15
• 1.3 光伏性能的测试原理15-17
• 1.3.1 光伏电流电压 J-V 曲线的测试原理15-17
• 1.3.2 量子效率的测试原理17
• 1.4 本课题研究背景及目的17-19
• 1.5 本课题主要研究内容19-21
• 参考文献21-24
• 第二章 菱方结构铁酸铋薄膜的制备与光伏性能研究24-41
• 2.1 引言24-26
• 2.2 实验部分26-27
• 2.2.1 实验药品26
• 2.2.2 样品制备26-27
• 2.2.3 样品表征手段27
• 2.3 结果与讨论27-36
• 2.3.1 铁酸铋薄膜的结构与形貌分析27-30
• 2.3.2 不同电极对铁酸铋薄膜的光伏性能的影响30-36
• 2.4 本章小结36-37
• 参考文献37-41
• 第三章 钒酸铋薄膜的制备与光伏性能研究41-52
• 3.1 引言41
• 3.2 实验部分41-43
• 3.2.1 实验药品41-42
• 3.2.2 样品制备42-43
• 3.2.3 样品的表征手段43
• 3.3 结果与讨论43-49
• 3.3.1 钒酸铋薄膜的结构域形貌分析43-46
• 3.3.2 钒酸铋薄膜的光伏性能研究46-49
• 3.4 本章小结49-50
• 参考文献50-52
• 第四章 钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜的制备与光伏性能研究52-70
• 4.1 引言52-53
• 4.2 实验部分53-56
• 4.2.1 实验药品53-54
• 4.2.2 样品制备54-55
• 4.2.3 样品的表征手段55-56
• 4.3 结果与讨论56-66
• 4.3.1 钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜的结构与形貌分析56-58
• 4.3.2 钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜的光伏性能研究58-66
• 4.4 本章小结66-68
• 参考文献68-70
• 第五章 结论与展望70-74
• 致谢74-75
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文75

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