[發明專利]一種具有體光伏效應的鐵電薄膜器件

有效

• 申請號: 201610039249.2
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105702753B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 高榮禮;符春林;蔡葦;陳剛;鄧小玲
• 申請（專利權）人: 重慶科技學院
• 主分類號: H01L31/0224
• 分類號: H01L31/0224;H01L31/032
• 代理公司: 重慶蘊博君晟知識產權代理事務所(普通合伙)50223
• 代理人: 王玉芝

技術領域

本發明屬于鐵電材料領域，具體涉及一種具有體光伏效應的鐵電薄膜器件。

背景技術

鐵電體材料由于具有反常的光伏效應(光伏電壓不受晶體禁帶寬度(E_g)的限制，甚至可比E_g高2～4個數量級，達10³～10⁵V/cm)而備受關注。

半個世紀以前，人們在具有非中心對稱的各種鐵電材料中已經發現了鐵電光伏效應，沿著極化的方向能產生穩定的光伏效應。一般認為，鐵電材料的光伏效應起源于其自發極化，鐵電光伏的顯著特點之一就是當極化方向在電場作用下轉變的時候，光生電流也隨之發生轉變，而且在鐵電材料內部光生電流的方向始終與極化方向相反。鐵電光伏效應與傳統的pn結所不同的是：在傳統的pn結中，光激發的電子空穴對被pn結中的內建場迅速分離，向相反的方向作漂移運動，最后到達電極，然后被電極收集起來。因此，理論上，pn結太陽能電池所產生的光生電壓受到半導體帶隙寬度的限制，一般不到1V。對于鐵電光伏效應而言，實驗上得到的光生電壓正比于極化強度以及電極之間的距離，而不受帶隙寬度的限制，可以達到10⁴V。太陽能電池的光生電壓越高，就意味著產生的電能越多，效率越高。

雖然有關鐵電光伏效應的研究已有幾十年，但直到現在，也沒有人能夠確切指出這種材料光伏過程的原理，關于鐵電材料反常光伏效應的起源也一直存在爭議。一般來說，影響鐵電材料光生電壓的因素有多種，例如兩個電極之間的距離、光的強度、材料的導電性、剩余極化強度、晶體取向、晶粒尺寸、氧空位、疇壁以及界面等。但從本質上來說，鐵電光伏效應的機制主要有以下幾種：

(1)體光伏效應

這種機制認為，光生電壓產生于鐵電材料的內部，因此稱為“體光伏效應”，鐵電材料則作為“電流源”。光照下產生的穩定電流(光生電流：J_s)與具有非中心對稱鐵電材料的性質有關。在具有非中心對稱晶體中，電子從動量為k的狀態向動量為k′狀態所躍遷的概率與其從動量為k′的狀態向動量為k狀態躍遷的概率不同，導致了光生載流子的動量分布不對稱，從而在光照下能形成穩定的電流。通過鐵電材料總的電流密度(J)可以表示為：

J＝J_s+(σ_d+σ_ph)E (1)

式中，σ_d和σ_ph分別表示鐵電材料在暗場及明場下的電導，即暗電導和光電導；E＝V/d為光照下鐵電材料內部的電場，取決于外加電壓(V)和兩電極之間的距離(d)。由于電極之間的距離通常都比較大，并且大多數鐵電材料的暗電導和光電導都非常低，因此由鐵電材料構成的太陽能光伏器件可以視為電流源。在鐵電材料中，光照下的開路電壓V_oc可以表示為：

從上式可以看出，如果總的電導率(σ_d+σ_ph)不明顯依賴于光強度的話，開路電壓V_oc隨短路光電流密度J_sc線性增加，表明開路電壓正比于短路光電流I_oc(因為短路光電流I_oc等于短路光電流密度J_s乘以電流流通的面積)，開路電壓與短路光電流的比值就等于樣品的厚度。也就是說，如果將由鐵電材料構成的太陽能光伏器件可以視為電流源的話，光電流就是恒定不變的，那么短路光電壓的值就正比于材料的厚度。

(2)疇壁理論