山東昌日分布式光伏發(fā)電代理
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【原創(chuàng)文章】
當(dāng)鐵電材料與電極接觸形成肖特基勢(shì)壘時(shí)，界面處能帶將會(huì)彎曲，光照下產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將被電極附近局部電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生的光電流很大程度是由肖特基勢(shì)壘和耗盡層的深度決定。根據(jù)這一模型，在肖特基勢(shì)壘內(nèi)部所產(chǎn)生光生電壓的大小依然局限于鐵電材料的帶隙，在研究鐵電光伏效應(yīng)的早期階段肖特基效應(yīng)所引起的電壓常被忽略，是因?yàn)樗h(yuǎn)遠(yuǎn)低于大部分鐵電晶體中的反常光生電壓。但肖特基效應(yīng)在鐵電薄膜光伏器件中變得越來越重要，因?yàn)檫@些器件中的光伏電壓輸出通常比較小。
一般來說，由相同電極與鐵電材料構(gòu)成的具有三明治結(jié)構(gòu)的鐵電光伏器件中，肖特基勢(shì)壘產(chǎn)生光電流的貢獻(xiàn)是不存在的，因?yàn)橛缮舷聝蓚(gè)相同的電極與鐵電材料所構(gòu)成的兩個(gè)肖特基結(jié)是背靠背的，相互遏制，因此所產(chǎn)生的光生電壓和電流相抵消。然而，若采用不同類型的電極，可以實(shí)現(xiàn)具有垂直結(jié)構(gòu)的鐵電光伏器件中光伏效應(yīng)的增強(qiáng)。由于肖特基結(jié)效應(yīng)與鐵電材料的極化方向無關(guān)，根據(jù)這一特點(diǎn)就可以區(qū)分肖特基結(jié)和體光伏效應(yīng)對(duì)光電流的貢獻(xiàn)。然而一些研究者認(rèn)為，肖特基勢(shì)壘的高度可以通過對(duì)鐵電材料施加電場(chǎng)改變其極化方向來進(jìn)行調(diào)控。并且，當(dāng)肖特基勢(shì)壘和鐵電材料的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)變的時(shí)候，光生電壓的符號(hào)也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)變。
例如，由 Au/BFO/Au 構(gòu)成的具有垂直結(jié)構(gòu)的鐵電二極管中，光生電流及光生電壓都隨著極化方向的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變。最初將 BFO 薄膜體光伏效應(yīng)認(rèn)為是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因，但隨后的研究表明，BFO 薄膜在極化過程中的肖特基勢(shì)壘的改變主要是由于氧空位的遷移造成的，而當(dāng)氧空位遷移在低溫下被凍結(jié)時(shí)，光伏效應(yīng)隨著極化方向的轉(zhuǎn)變不再發(fā)生轉(zhuǎn)變。
對(duì)于處于極化狀態(tài)的鐵電薄膜而言，薄膜表面具有高濃度的極化電荷，如果不考慮屏蔽效應(yīng)，這些高密度的極化電荷將會(huì)在鐵電層內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)巨大的電場(chǎng)。以 BFO薄膜為例，其剩余極化強(qiáng)度約為 100μC·cm-2，未被屏蔽的極化電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)可達(dá) 3×1010V/m。
當(dāng)鐵電薄膜與金屬或半導(dǎo)體接觸時(shí)，剩余極化引起的表面電荷將會(huì)被金屬或半導(dǎo)體中的自由電荷部分屏蔽。通常，表面電荷之所以不完全被屏蔽因?yàn)闃O化電荷和自由補(bǔ)償電荷重心不重合，在整個(gè)鐵電薄膜內(nèi)部就產(chǎn)生電場(chǎng)，即退極化場(chǎng)。
退極化場(chǎng)可能很大，例如對(duì)于厚度為 10 ～ 30nm 的 BTO 薄膜而言，由 BTO 與 Sr Ru O3電極構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)中的退極化場(chǎng)約為 45×106V/m。如此高的退極化場(chǎng)被認(rèn)為是分離光生載流子的主要驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)也表明反常光伏效應(yīng)與極化電荷的屏蔽程度密切相關(guān)。
屏蔽電荷的分布取決于鐵電材料和金屬 ( 或半導(dǎo)體 ) 的性質(zhì)，例如剩余極化強(qiáng)度、自由電荷密度及介電常數(shù)等。另一方面未被屏蔽的極化電荷對(duì)退極化場(chǎng)的影響主要取決于鐵電層的厚度：厚度小的鐵電層結(jié)果退極化場(chǎng)大。
一般來說，半導(dǎo)體與鐵電材料接觸產(chǎn)生的退極化場(chǎng)比金屬與鐵電材料接觸所產(chǎn)生的退極化場(chǎng)大，這是由于半導(dǎo)體材料具有較小的自由電荷密度和較大的介電常數(shù)，從而產(chǎn)生較弱的屏蔽效應(yīng)。
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