[發明專利]鐵電光伏器件及其制備方法

有效

• 申請號: 201210329966.0
• 申請日: 2012-09-07
• 公開（公告）號: CN102832266A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 蘇曉東;代智華
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01L31/0224
• 分類號: H01L31/0224;H01L31/04;H01L31/18
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 常亮

技術領域

本發明屬于光電轉換和光伏技術領域，尤其是涉及一種鐵電光伏器件及其制備方法。

背景技術

鐵電材料的光伏效應上世紀六、七十年代就已發現，該類器件廣泛應用于光電檢測和光電能量轉換領域。研究表明，鐵電材料在光照下會產生一種體光伏效應（Bulk?photovoltaic?effect），即其光伏效應存在于整個材料內部，器件的開路電壓（V_oc）和厚度有一定的正比關系，可以達到較高的值。相比之下，通常應用于光電轉換和光電檢測的半導體pn結器件，其光伏效應主要產生于厚度數百納米的結區，器件的V_oc受半導體材料帶隙的制約，通常小于1V。因此，具有極高的V_oc是鐵電光伏器件的最主要優勢。但是，由于大多數鐵電材料屬于寬帶隙半導體材料，其光吸收能力極弱，通常只能在紫外光照射下產生光生電子-空穴對，同時導電性很差，其光電流極低，難以滿足應用的需求。近年鐵電光伏研究又重新興起，主要關注點是如何提高光電轉換效率，特別是提高光電流，從而獲得實際應用。

本發明以摻鑭鋯酸鈦鉛[(Pb，La)(Zr，Ti)O₃，PLZT]為例說明一種新的設計思路和制備方法。PLZT是一種較成熟透明鐵電陶瓷材料，其光學特性可通過電場、或拉伸和壓縮而改變，廣泛用于各種光電存儲器和顯示設備中。同時，PLZT的光伏效應也受到廣泛關注。通常，該類器件具有電極/PLZT/電極三明治結構，其光伏性能主要受PLZT材料性能、外加極化場以及電極性能的影響。PLZT的帶隙約為3.4eV，即只有能量高于該值的光才能被吸收產生電子-空穴對；然后這些電子-空穴對在極化鐵電材料的退極化場（E_pi）作用下，分別向兩個電極輸運，從而形成光生電壓和光電流。實驗表明，器件在太陽光照射下，太陽光譜中高于3.4eV的光不超過5%，器件的光電流僅在皮安量級，而光電壓可以很高。因此，要提高器件的光電流，必須首先提高器件中的光生載流子濃度。

對于PLZT光伏器件，通常采用貴金屬（如Pt、Au等）作為電極材料。我們知道，金屬中具有較多的電子，在特定波長光的照射下，金屬表面能夠發射電子到真空能級，該現象稱為光電效應。發射出的電子叫光電子，在外加電場作用下形成的電流叫光電流。如果金屬電極中的電子能夠通過光照射進入到PLZT，則可以大大提高PLZT中的載流子濃度，從而提高器件的光電流。但是，Pt、Au等貴金屬通常具有較高的功函數，會在金屬/PLZT界面形成較高的肖特基能壘（Schottky?barrier），從而阻礙了金屬中受激電子注入到PLZT，該種光伏器件雖然具有極高的光生電壓，但光電流極低。

我們相信，即使是Pt和Au這兩種高功函數金屬，也存在這樣的光電效應，有極少部分金屬中的電子能夠注入PLZT，參與PLZT的光伏效應，但是由于其效應微弱，金屬的光電效應在這類器件中往往被忽視。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明解決的技術問題是提供一種鐵電光伏器件及其制備方法，該光伏器件的光伏特性特別是光電流得以大幅提升。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案是這樣實現的：

本發明公開了一種鐵電光伏器件，包括上電極、金屬下電極以及位于該兩電極之間的鐵電材料薄片，其中，所述金屬下電極的功函數在2~5電子伏特之間。

優選的，在上述鐵電光伏器件中，所述金屬下電極為Ag、Al或Mg電極。

優選的，在上述鐵電光伏器件中，所述上電極為氧化銦錫（ITO）或鋁摻雜氧化鋅（AZO）。

優選的，在上述鐵電光伏器件中，所述鐵電材料為摻鑭鋯酸鈦鉛(PLZT)、鋯鈦酸鉛（PZT）、鈦酸鋇(BTO)或鉍鐵氧（BFO）。

優選的，在上述鐵電光伏器件中，所述鐵電材料的厚度為0.1~1000μm。

本發明還公開了一種PLZT鐵電光伏器件的制備方法，其特征在于，包括：

（1）制備PLZT薄片；

（2）在PLZT薄片上通過物理濺射方法沉積上電極和金屬下電極。