铁电/磁性半导体有序复合薄膜的光伏效应增强与多场调控

The photovoltaic effect of the ferroelectric film is important for developing new-type solar cells and photo-electric devices. For actual applications, a crucial problem on how to improve both photocurrent and power-conversion-efficiency must be resolved for the ferroelectric films. In this project, we propose a novel avenue to enhance the photovoltaic effect of the ferroelectric films. We are going to prepare the composite films by combining spinel magnetic-semiconductor ferrites with ferroelectric oxides. The composition, phase-connectivity and interface of the composite films will be controlled well. In order to improve the wide-frequency optical absorption efficiency and photonic-conversion-efficiency, we will modulate spin-relative band gap and semiconductor property by designing the compositions of magnetic phase and applying external magnetic fields. Meanwhile, we will tune the band structure and interface barrier by magnetoelectric coupling interactions at interface and graded-stress fields in the composite, consequently manipulating both the seperation and transportion of the photon-generated carriers. The aim of this project is to develop the methods for preparing some typical composite films consisting of ferroelectric oxides and magnetic semiconductors, and to propose effective avenues for enhancing the photovoltaic effect of the composite films as well as to elucidate the corresponding mudulating rules and mechanisms. Our results will become important foundations for developing new-type and high-efficiency solar cells and photo-electric devices based on multiferroicc omposite films.

铁电基薄膜的光伏效应对于发展新型太阳能电池和光电器件具有重要价值，如何提高光电流和光电转换效率是其当前应用中面临的关键问题。本项目提出大幅度增强和调控铁电基薄膜光伏效应的研究新思路：将具有磁性半导体特性的窄带隙尖晶石铁氧体引入铁电氧化物基体中，在制备相连通方式、组分和界面可控的多铁有序复合薄膜的基础上，一方面通过磁性相组分设计和磁场作用来调控其与自旋态密切相关的光学带隙和半导体特性，大幅度拓宽复合薄膜吸收太阳光的光谱范围，提升其光吸收转化效率，另外一方面通过界面磁电耦合作用和梯度应力场实现对复合体系能带结构和界面势垒的调节，进而实现对光生载流子分离和传输过程的有效调控。通过本项目实施，我们将发展出制备铁电/磁性半导体有序复合薄膜的方法，提出有效增复合薄膜光伏效应的调控途径，并阐明相应的调控规律与机制，为研发基于多铁复合薄膜、具有高效光电转换效率的新型光电池和光电器件提供研究基础。

多铁性复合薄膜的铁电光伏效应对于发展新型光电器件具有重要应用价值，如何调控铁电光伏效应、提高光电转换效率是其当前应用中面临的关键问题。本项目主要以具有铁电光伏效应的多铁性复合薄膜为研究对象，在发展相应的薄膜制备方法和微结构表征的基础上，通过组分调节、外场作用等多种手段调控复合体系的多场耦合作用，探索有效调控复合薄膜磁电耦合特性和光电转换特性的途径和方法，并揭示其中的调控机理。项目研究取得了若干创新研究成果，主要有：. 利用界面极化耦合作用，在Mn:ZnO/PZT复合薄膜中实现了磁性调控，进而在PZT-ZnO层状复合薄膜中实现了铁电光伏效应的调控；制备出0-3型PZT/CoFe2O4纳米复合薄膜，利用外磁场实现了对复合薄膜光伏效应的调控；采用微加工方法制备出基于BiFeO3/La0.67Sr0.33MnO3薄膜的微米阵列，并通过选择合适电极实现了对薄膜铁电光伏效应的可逆操控；制备出基于Au/BiFe0.85Ti0.15O3薄膜的原型储存器件，利用铁电光伏效应和阻变效应的协同作用实现了电写-光读的操作；制备出PZT/CoFe2O4/NiO铁电/铁磁/反铁磁多层复合薄膜，利用电场实现了对体系磁交换偏置效应的调控；制备出Bi(Fe0.9Mn0.1)O3薄膜，利用电阻开关效应实现了对薄膜磁开关效应的调控；制备出Co/Co3O4/PZT复合薄膜，利用交换偏置效应实现对复合薄膜磁电耦合和光伏特性的调制；制备出双层石墨烯与Ag纳米颗粒复合的薄膜，观察到由于石墨烯与Ag纳米颗粒之间电磁耦合作用而导致的光吸收及表面拉曼散射显著增强的效应；提出一种基于Sr–Cl原子插层提升CH3NH3PbI3有机钙钛矿薄膜光电转换效率的方法，并在1-1-1型薄膜内实现较大的自发极化和内建电场，其在可见光范围内的光吸收性能同时得到显著增强。. 本项目所取得的研究成果已在国内外学术期刊上发表25篇SCI检索论文，并申请了1项国家发明专利。本项目的研究结果不但对于理解多铁性材料的铁电光伏效应调控方法和机理具有重要的科学意义，而且对于拓展多铁性材料在光电转换器件等领域的应用具有重要价值。.