太陽電池応用のための強誘電体の構造・物性制御

太阳能电池应用铁电材料的结构和性能控制

基本信息

批准号：
14J04693
负责人：
松尾拓紀
金额：
$ 2.05万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度はまず，BiFeO3(BFO)エピタキシャル薄膜における，バルク光起電力（BPV）効果とドメイン壁光起電力（DW-PV）効果の定量評価に着手した．製膜はPLD法により行ない，異なる方位に微傾斜を有するSrTiO3 (STO)(001)単結晶基板を用いることで，シングルドメイン（SD）とマルチドメイン（MD）構造のBFO薄膜を作製した．光照射下電流密度－電圧特性評価の結果，光子エネルギーhν = 3.1 eVにおいて，BFO(SD)は短絡電流密度Jsc = 17 μA/cm2，開放電圧Voc = 4.2 Vを示したのに対し，BFO(MD)はJsc = 180 μA/cm2，開放電圧Voc=7.7 Vを発現し，マルチドメイン化によって光応答が増大することが示された．さらに，Jscの偏光依存性を定量的に解析した結果，MD試料の光応答はBPV効果から予想される光応答を大きく上回ることが明らかになった．以上のように本研究では，BFOのドメイン壁においてBPVを凌駕する光起電力が発現することを定量的に実証した．さらに，MnドーピングによるBFOの可視光下光起電力効果の増強に取り組んだ．Mn 5 %-doped BFO(SD)薄膜とBFO(SD)薄膜の光起電力特性の波長依存性を調査し，hνがバンドギャップ幅（Eg）よりも小さい長波長における光応答が，Mnドープによって大幅に増強されることを明らかにした．実験および密度汎関数理論計算結果から，Mnドーピングによりバンドギャップ内に欠陥準位が形成され，この準位を介したキャリア励起が，hν < Eg における光起電力増強の起源であることを明らかにした．本研究により，ドメイン構造制御およびバンド構造制御に基づいた，可視光下における強誘電体PV効果増強に向けた材料設計指針が示された．

今年，我们首先对BifeO3（BFO）外延薄膜中的大量光伏（BPV）和域壁光伏（DW-PV）效应进行了定量评估。膜形成是通过PLD方法进行的，并使用SRTIO3（STO）（001）单晶基板在不同方向上略微倾斜，具有单域（SD）（SD）和多域（MD）结构的BFO薄膜较小。由于在光照射下评估电流密度 - 电压特性的结果，BFO（SD）表现出短路电流密度JSC =17μA/cm2和开路电压VOC = 4.2 V，而BFO（MD）表现出A JSC =180μA/CM2和开放电路VORTAIMES = 7.7 V，均提示了7.7 V，以下均提示。此外，对JSC的极化依赖性的定量分析表明，MD样品的光响应显着超过了BPV效应预期的光响应。如上所述，这项研究定量证明，超过BPV的光伏力在BFO的域壁中表达。此外，我们致力于通过Mn掺杂在可见光下增强BFO的光伏效应。我们研究了Mn 5％掺杂的BFO（SD）和BFO（SD）薄膜的光伏性能的波长依赖性，并揭示了Mn掺杂显着增强了在长波长Hν的长波长中Hν小于带隙宽度（EG）的光波长。实验和密度功能理论计算结果表明，通过MN掺杂在带隙中形成缺陷水平，而通过此水平进行载体激发是Hν<eg时光伏增强的起源。这项研究提供了基于域结构控制和带结构控制的可见光下在可见光下增强铁电PV效应的材料设计指南。