锆钛酸铅铁电薄膜的光伏性能研究

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1、SOOCHOWUNIVERSITY硕士专业学位论文论文题目锆钛酸铅铁电薄膜的光伏性能研究研究生姓名__________________________张鹏__________指导教师姓名沈明荣（教授）郑分刚（教授)专业名称_________________________光学工程________研究方向________________功能薄膜材料_论文提交日期________________________2015年5月________苏州大学学位论文独创性声明本人郑重声明：提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外

2、，本论文不含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个体和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。论文作者签名：《卡、4日期：^学位论文使用授权声明本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定，即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸质论文的内容一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献信息情报中心、中国科学技术信息研究所（含万方数据电子出版社）、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和

3、借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。涉密论文□本学位论文属年_月解密后适用本规定。非涉密论文gT论文作者签名:日期：of-^锆钛酸铅铁电薄膜的光伏性能研究中文摘要锆钛酸铅铁电薄膜的光伏性能研究中文摘要非极性晶体在光照下产生的光伏效应早已为人所熟知，根据这一原理发展的晶体硅太阳能电池成为了目前世界上应用最为广泛的光伏器件，其装机容量已经超过25GW。然而，晶体硅太阳电池的发展正受到理论效率极限的制约，许多研究者开始将目光投向新型光伏材料的开发研究领域，其中铁电材料以其独特的反常光生伏打效应，能

4、够产生突破带隙限制的大开路电压，以及铁电薄膜低成本的优势，使得铁电材料成为新型光伏材料领域的研究热点。由于铁电材料的电导率比较低，产生电子空穴对的迁移速率低，因此大多数金属/铁电薄膜/金属(MFM)结构器件的短路光电流都不理想，难以获得令人满意的短路电流。另外，传统铁电材料的禁带宽度比较大(3.5eV左右)，难以吸收利用太阳光中的可见光，导致基于铁电薄膜的光伏器件光伏发电效率较低。针对这些缺点，在本文中，我们致力于研究提高铁电薄膜太阳能电池光电流的新方法。我们首先在具有ITO镀层的石英基底上用溶胶凝胶法制备了Pb(Zr0.20Ti0.80)O3(PZT)铁电薄膜，再

5、用磁控溅射法在PZT薄膜上沉积不同材料的金属上电极(Ag、Cu、Au、Pt)，我们研究发现，沉积的Ag和Au电极成功在PZT薄膜的上表面上引入了表面等离激元，样品可见光波段EQE出现提高，光电流得到极大增强，我们认为提高的光电流是来自PZT表面近场强度增强而激发出的光生载流子。为了验证我们的想法，我们对样品的界面进行数值模拟，发现多晶PZT薄膜在退火过程中上表面自然形成的粗糙结构可以耦合可见光波段入射光子和局域表面等离激元，从而增强PZT薄膜可见光波段的吸收。传统的电荷转移机制并不能很好的解释PZT薄膜中表面等离激元产生的光电流现象，而在我们提出的这一模型中，ITO

6、/PZT/Ag和ITO/PZT/Au结构在可见光波段出现的光伏提高现象则得到了合理的解释。我们知道某些半导体材料具有非常良好的光响应，能够有效地吸收光子生成大量电子空穴对。为了实现铁电薄膜光伏器件的光电转化效率的提高，我们考虑设计复合异质结构，将半导体高电流密度和铁电体大开路电压的优势结合起来形成金属/半导I中文摘要锆钛酸铅铁电薄膜的光伏性能研究体/铁电体/金属(MSFM)异质结构。根据这一思路，我们利用磁控溅射方法在ITO/PZT/Pt结构的基础上引入了ZnO和Cu2O层，制备出ITO/PZT/ZnO/Pt和ITO/PZT/ZnO/Cu2O/Pt(MSFM)异质结

7、构薄膜器件。另外，这一结构也充分考虑到了带隙分布的合理性，能够有效地促进电荷流动。我们分别摸索了ZnO层厚度和Cu2O层制备工艺对器件光伏性能的影响，对比测试结果，在最佳的工艺条件下，我们制备的异质结构短路光电流密度与ITO/PZT/Pt结构相比提高了60倍左右。这表明，我们设想的通过复合异质结构提高铁电薄膜器件光伏效应的思路具有一定的可行性。关键词：铁电薄膜；光伏性能；表面等离激元；异质结构作者：张鹏指导老师：沈明荣郑分刚II锆钛酸铅铁电薄膜的光伏性能研究AbstractStudyofthePhotovoltaicPropertiesofFerroelectr