[發明專利]一種高擊穿場強、高光電流密度的鈮酸鈉基無鉛鐵電陶瓷材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110318193.5
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113004038B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 晁小練;王記通;楊祖培;彭戰輝;石強強
• 申請（專利權）人: 陜西師范大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司 61201
• 代理人: 高雪霞

本發明公開了一種高擊穿場強、高光電流密度的鈮酸鈉基無鉛鐵電陶瓷材料及其制備方法，該陶瓷材料的通式為(1?x)NaNbOsubgt;3/subgt;?xBa(Nbsubgt;0.5/subgt;Nisubgt;0.5/subgt;)Osubgt;3?σ/subgt;，式中x代表Ba(Nbsubgt;0.5/subgt;Nisubgt;0.5/subgt;)Osubgt;3?σ/subgt;占總物質量的摩爾比，x的取值為0.1～0.4。該陶瓷材料通過配料、預燒、球磨、壓片、無壓密閉燒結等工藝步驟制備而成。本發明制備方法簡單、重復性好、成品率高，所得陶瓷材料具有光伏特性、光響應電流高，同時具有高的居里溫度、高的極化強度和介電擊穿強度，實用性強、易于生產，兼顧光伏特性和陶瓷電容器的儲能特性，是一種性能優良的多功能無鉛鐵電陶瓷，是鐵電光伏電池的一種新型備選材料。

技術領域

本發明屬于陶瓷材料技術領域，具體涉及一種高擊穿場強、高光電流密度的鈮酸鈉基無鉛鐵電陶瓷材料及其制備方法。

背景技術

能源是世界各國發展的戰略需求，進入21世紀以來，各國的發展依舊高度依賴傳統能源，隨著各種資源面臨耗竭，由石油、煤炭、天然氣等傳統一次能源過度消耗引發的環境問題也受到關注。太陽能作為一種清潔可再生能源，仍是目前最有可能替代傳統能源的一種新型能源，目前太陽能光伏電池主要分為硅基太陽電池，薄膜太陽電池，鈣鈦礦太陽能電池，鐵電薄膜電池，鐵電薄膜電池正處于起步階段，早在1979年，Fridkin等人發現鐵電晶體中具有反常光伏效應，但由于鐵電體低的光吸收效率和高阻絕緣特性，使得鐵電光伏效應的研究受阻。近年來，由于半導體工藝的發展和微加工技術的進步，鐵電光伏效應的研究再次引發關注。2009年，T.Choi等在《Science》上報道了BiFeO₃的光伏效應，研究發現與p-n結電流的單向性不同，鐵電材料的光生電流與極化方向有著密切的關系。2010年，S.Y.Yang等提出了新的鐵電光伏機制：疇壁理論，在薄膜BiFeO₃實驗測得的開路電壓Voc可達16V。鐵電光伏電池與傳統有機無機光伏電池最重要的不同源于全新的光生載荷分離機制，鐵電材料最顯著的特征就是具有自發極化，這些自發極化可以扮演p-n結中內建電場的作用來分離光生空穴和電子，因此相比于傳統材料中p-n結的界面光伏效應，鐵電光伏電池是一種體光伏效應，具有更強的電子空穴的分離與傳輸能力。鐵電材料的光生電流受材料的極化強度和取向調控，其次由于其特殊的電學性質，與傳統p-n結不同，鐵電光伏電池的開路電壓不受限于自生帶隙大小，疇與疇之間產生的光生電動勢可以疊加，在薄膜中易獲得反常光伏效應，因此，鐵電光伏電池的光電轉化效率(77％)可以突破Shockley-Queisser理論極限(33％)。

目前，鐵電光伏電池的光電轉換效率仍處于較低水平(7％)，鐵電材料往往表現出高阻絕緣和寬帶隙的特點，鐵電材料的帶隙大都高于3eV，這使得大多數鐵電材料對太陽光的吸收集中于紫外光區，而對于可見光區的利用率很低，使得太陽電池的光生電流很小。因此，尋找具有低帶隙和高極化強度的新型鐵電材料是目前發展鐵電太陽電池的關鍵。無鉛鐵電材料鈮酸鈉具有高極化強度和剩余極化強度，高的居里溫度和易于調控的帶隙，是一種非常有潛力的新型鐵電光伏材料。

發明內容

本發明的目的是提供一種高擊穿場強、高光電流密度的鈮酸鈉基無鉛鐵電陶瓷材料，以及該陶瓷材料的制備方法。

針對上述目的，本發明陶瓷材料的通式為(1-x)NaNbO₃-xBa(Nb_0.5Ni_0.5)O_3-σ，式中x代表Ba(Nb_0.5Ni_0.5)O_3-σ占總物質量的摩爾比，x的取值為0.1～0.4；該陶瓷材料為鈣鈦礦結構，帶隙值為2.11～2.96eV，居里溫度為350～400℃，介電擊穿場強240～270kV/cm，極化強度為10.8～22.1μC/cm²，短路電流密度為50～150nA/cm²。