[发明专利]一种具有体光伏效应的铁电薄膜器件

说明书

技术领域

本发明属于铁电材料领域，具体涉及一种具有体光伏效应的铁电薄膜器件。

背景技术

铁电体材料由于具有反常的光伏效应(光伏电压不受晶体禁带宽度(E_g)的限制，甚至可比E_g高2～4个数量级，达10³～10⁵V/cm)而备受关注。

半个世纪以前，人们在具有非中心对称的各种铁电材料中已经发现了铁电光伏效应，沿着极化的方向能产生稳定的光伏效应。一般认为，铁电材料的光伏效应起源于其自发极化，铁电光伏的显著特点之一就是当极化方向在电场作用下转变的时候，光生电流也随之发生转变，而且在铁电材料内部光生电流的方向始终与极化方向相反。铁电光伏效应与传统的pn结所不同的是：在传统的pn结中，光激发的电子空穴对被pn结中的内建场迅速分离，向相反的方向作漂移运动，最后到达电极，然后被电极收集起来。因此，理论上，pn结太阳能电池所产生的光生电压受到半导体带隙宽度的限制，一般不到1V。对于铁电光伏效应而言，实验上得到的光生电压正比于极化强度以及电极之间的距离，而不受带隙宽度的限制，可以达到10⁴V。太阳能电池的光生电压越高，就意味着产生的电能越多，效率越高。

虽然有关铁电光伏效应的研究已有几十年，但直到现在，也没有人能够确切指出这种材料光伏过程的原理，关于铁电材料反常光伏效应的起源也一直存在争议。一般来说，影响铁电材料光生电压的因素有多种，例如两个电极之间的距离、光的强度、材料的导电性、剩余极化强度、晶体取向、晶粒尺寸、氧空位、畴壁以及界面等。但从本质上来说，铁电光伏效应的机制主要有以下几种：

(1)体光伏效应

这种机制认为，光生电压产生于铁电材料的内部，因此称为“体光伏效应”，铁电材料则作为“电流源”。光照下产生的稳定电流(光生电流：J_s)与具有非中心对称铁电材料的性质有关。在具有非中心对称晶体中，电子从动量为k的状态向动量为k′状态所跃迁的概率与其从动量为k′的状态向动量为k状态跃迁的概率不同，导致了光生载流子的动量分布不对称，从而在光照下能形成稳定的电流。通过铁电材料总的电流密度(J)可以表示为：

J＝J_s+(σ_d+σ_ph)E (1)

式中，σ_d和σ_ph分别表示铁电材料在暗场及明场下的电导，即暗电导和光电导；E＝V/d为光照下铁电材料内部的电场，取决于外加电压(V)和两电极之间的距离(d)。由于电极之间的距离通常都比较大，并且大多数铁电材料的暗电导和光电导都非常低，因此由铁电材料构成的太阳能光伏器件可以视为电流源。在铁电材料中，光照下的开路电压V_oc可以表示为：

从上式可以看出，如果总的电导率(σ_d+σ_ph)不明显依赖于光强度的话，开路电压V_oc随短路光电流密度J_sc线性增加，表明开路电压正比于短路光电流I_oc(因为短路光电流I_oc等于短路光电流密度J_s乘以电流流通的面积)，开路电压与短路光电流的比值就等于样品的厚度。也就是说，如果将由铁电材料构成的太阳能光伏器件可以视为电流源的话，光电流就是恒定不变的，那么短路光电压的值就正比于材料的厚度。

(2)畴壁理论