同步辐射技术研究金属元素掺杂对多铁材料BiFeO3光伏效应的影响

BiFeO3 is one of novel multiferroic materials which can display ferroelectricity and weak ferromagnetism at room temperature. Compared to the extensive research in structure doping and property modulate, photovoltaic effect and application based on BiFeO3 are limited. As one of typical narrow band gap (2.1-2.5 eV) semiconductor, it has superb photoresponse ability for the visible light especially. At present, doping with various ions to explore the enhancement of ferroelectricity and ferromagnetism has been attracted much more attention comparing to the research on photoresponse mechanism. Herein, metal doped multiferroic materials BiFeO3 system has been selected to develop novel photovoltaic technology. Based on synchrotron-radiation X-ray diffraction and absorption spectroscopy, the affect factors of photovoltaic performance from metal doping will be research systematically. Electron atom sized mechanism would be recovered to explore the mode of action in photovoltaic effect through the change of microstructure. The exploitation of the competitive solar cell can be inspired by the above scheme.

铁酸铋是少数在室温下同时具有铁电性和弱铁磁性的多铁材料之一，是一种极具应用前景的新材料。在结构掺杂和性能调变上铁酸铋的研究已较为深入，但是针对光伏效应及其应用的研究却较少。作为一种典型的窄带半导体，铁酸铋的禁带宽度在2.1-2.5 eV，具有较好的可见光响应能力，而铁酸铋的光响应机理及调控仍有很多问题需要进一步解决，目前更多的研究仅集中在利用不同的离子掺杂以获得增强的铁电、铁磁性。本项目选取金属元素掺杂多铁材料铁酸铋体系，通过同步辐射X射线衍射及吸收精细结构谱测试技术研究金属元素掺杂对其光伏效应的影响规律，从电子和原子尺度上揭示掺杂原子对铁酸铋微观结构的影响规律，以深入理解无机钙钛矿的微观结构演化和太阳能电池性能之间的内在关系，为低成本高效稳定无铅钙钛矿太阳能电池的开发应用提供有价值的参考。

本项目开展的基于同步辐射技术研究金属元素掺杂对多铁材料BiFeO3光伏效应的影响研究是拓展多铁材料在清洁能源领域应用的重要方法。依照项目研究计划开展了一系列研究工作，并取得一定进展：首先系统研究了BiFeO3薄膜的制备，开发出简单快捷的溶胶凝胶法制备BiFeO3纯相高质量薄膜的先进工艺，制备出的薄膜漏电流较小，且具有良好的铁电性能，为光伏性能应用研究提供了较好的材料基础；其次采用同步辐射技术分析掺杂BiFeO3晶体的局域结构，通过分析对比纯相BiFeO3和不同离子掺杂样品的Fe元素K边X射线吸收精细结构谱，深入挖掘掺杂元素引起的晶体结构改变对性能增强的作用机制；最后，基于BiFeO3薄膜的制备及掺杂机理研究，对BiFeO3的光伏性能和铁电性能调控光伏效应开展了系统研究：.（1）通过引入空穴传输层和电子传输层，制备完整的纯无机BiFeO3基光伏器件。该器件的最优短路电流为62.6 µA cm-2，远高于之前报道中BiFeO3薄膜的短路电流。.（2）通过外加电场极化BiFeO3薄膜实现对薄膜光伏性能的大范围调控。研究发现，施加正向极化电场可同时提高薄膜的开路电压和短路电流密度；而当施加反向极化则会同时降低开路电压和短路电流密度。由此可见，BiFeO3光伏响应的开路电压和短路电流可以通过外加电场实现一定范围内的可控调节。.（3）研究掺杂对BiFeO3光伏响应的影响。通过研究碱土金属Ca和稀土金属La掺杂的BiFeO3薄膜的光伏性能，发现Ca元素掺杂后器件的光伏性能有较大的提高。而La元素的掺杂则可以提高BiFeO3光伏性能可调控的幅度，且可实现光伏性能更大范围调控。.通过本项目的顺利实施，BiFeO3薄膜的光伏效应机理得到进一步阐明，且获得了光电转换效率明显提升的光伏器件，为多铁材料在新能源领域的应用提供一定的借鉴和参考。