基于原位光辐照扫描探针的铁电薄膜电畴驱动光伏的机制研究

铁电体具有反常光生伏打效应，理论上具有较高的光电转换效率，但实际效率与硅光伏材料相比还相距甚远。要突破制约光电转换效率提高的瓶颈，必须从电畴结构层面上揭示铁电材料光伏形成的机制。本项目拟采用射频磁控溅射和微波退火工艺制备铁酸铋薄膜，通过研究铁酸铋薄膜电畴结构与晶粒尺寸的关系，找出其单畴临界尺寸和铁电临界尺寸，掌握通过控制晶粒尺寸调控薄膜电畴结构的方法，从而获得具有不同电畴结构的薄膜微区；采用扫描探针显微镜及联用铁电材料测试仪研究微区电畴的导电性、铁电性，找出微区导电性、铁电性与电畴结构的关系；在外加光源辐照下，采用扫描探针显微镜原位测量微区电畴的光伏特性，找出微区光伏特性与电畴结构的关系，结合微区铁电性和导电性数据，探索光生载流子在电畴中分离的过程，从新的视角揭示电畴驱动光伏的机制，探讨通过调控电畴结构提高光电转换效率的可能性，为铁电太阳能电池的研制奠定实验和理论基础。

铁电材料的反常光生伏特效应受到广泛关注，但其光电转换效率仍难以与其它光伏材料相比，且制约其光伏特性提高的原因尚不完全清楚。铁电性和电畴是铁电材料最主要的特性，因此必须弄清其铁电性、电畴结构与光伏特性的内在联系。本项目主要做了如下几个方面的工作：（1）通过改变退火工艺、组成控制铁酸铋薄膜微结构、光学特性、铁电性，从而实现了宏观光伏特性的调控，找出了铁电性与光伏特性的关系，进一步明确了窄带隙和大极化强度是铁电材料获得较佳光伏特性的重要条件，这为改善铁电材料光伏特性提供了依据。（2）掌握了铁酸铋薄膜晶粒尺寸的控制方法，对晶粒尺寸与铁酸铋薄膜电畴结构的关系进行了研究，找出了铁酸铋薄膜的单畴临界尺寸，这为通过晶粒尺寸的控制实现电畴结构的调控奠定了基础。（3）研究了铁酸铋薄膜的电畴结构及其微区电性能，发现晶粒尺寸和氧空位是影响其电畴翻转特性的重要因素。（4）采用原位光辐照下用扫描探针显微镜研究了铁酸铋薄膜微区的导电性，发现除畴壁外，某些电畴的内部也可能是载流子输运的通道，这为通过调控电畴结构增强铁电材料光伏特性提供了依据。（5）除了铁电性和电畴外，氧空位浓度及分布是影响铁酸铋薄膜光伏特性的另一重要因素，通过控制氧压和施加电脉冲可以分别调控氧空位的浓度及分布，从而增强铁酸铋薄膜的光伏特性，这为增强铁电材料光伏特性提供了新的思路。