鐵電材料光伏機(jī)理及其光伏性能的調(diào)控機(jī)制

朱明君，張剛?cè)A，李莎莎，曾 濤

(上海材料研究所，上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

0 引 言

自1920年VALASEK[1]首次發(fā)現(xiàn)羅息鹽材料具有鐵電性以來(lái)，人們開始了鐵電材料的研究。鐵電材料具有特有的自發(fā)極化電疇可翻轉(zhuǎn)的物理性能，廣泛用于太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器、電容器和光催化等方面[2-5]。由于晶體結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，正負(fù)電荷中心不重合，鈣鈦礦型鐵電體具有在一定溫度下可以保持相對(duì)穩(wěn)定的極化狀態(tài)，且極化方向受外加極化場(chǎng)調(diào)控的優(yōu)異特性，成為多年來(lái)的研究熱點(diǎn)[6-9]。傳統(tǒng)鐵電體和半導(dǎo)體的性質(zhì)截然不同，近年來(lái)，研究者們對(duì)鐵電材料做了一些改進(jìn)，使其具有類似半導(dǎo)體的光伏和光催化性質(zhì)。鐵電材料是熱門的光電轉(zhuǎn)換材料，目前有關(guān)其自發(fā)極化對(duì)光伏性能影響機(jī)理的總結(jié)較少。作者從鐵電材料內(nèi)電場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)理(光伏機(jī)理)出發(fā)，綜述了極化調(diào)控、界面調(diào)控、尺度調(diào)控、空間電荷調(diào)控、帶隙調(diào)控、氧缺位自摻雜、鐵電-半導(dǎo)體耦合以及分子鐵電體制備等對(duì)鐵電材料光伏性能的調(diào)控機(jī)制，并指出了調(diào)控內(nèi)電場(chǎng)改善鐵電材料光伏性能的研究方向。

1 鐵電材料光伏機(jī)理

目前太陽(yáng)能光伏技術(shù)有多種，各種技術(shù)的光伏機(jī)理也不同，其中鐵電材料光伏效應(yīng)與傳統(tǒng)的p-n結(jié)材料光伏效應(yīng)就完全不同。在傳統(tǒng)p-n結(jié)晶體硅太陽(yáng)能電池中，半導(dǎo)體材料吸收太陽(yáng)能促使其價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶上，從而在價(jià)帶上產(chǎn)生等量的空穴；在p-n結(jié)較薄的耗盡層中，光子激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子快速分離，并向電池正負(fù)極方向擴(kuò)散，從而產(chǎn)生光生電壓和光生電流[10]。只有太陽(yáng)光的能量大于半導(dǎo)體材料的帶隙時(shí)，光子才能被價(jià)帶電子吸收，從而激發(fā)產(chǎn)生光生載流子和開路電壓，因此傳統(tǒng)p-n結(jié)太陽(yáng)能電池的開路電壓受材料帶隙限制。而鐵電材料的開路電壓不受材料帶隙限制，如LiNbO3晶體可以產(chǎn)生超過(guò)104V的光生電壓，這是由于材料存在自發(fā)極化，促進(jìn)了光生電子-空穴對(duì)的分離，且整個(gè)鐵電材料能形成內(nèi)建電場(chǎng)。與傳統(tǒng)p-n結(jié)材料相比，鐵電材料中電子-空穴對(duì)的分離和傳輸更加有效，因此開路電壓不受材料帶隙限制。雖然鐵電光伏現(xiàn)象還不能被全部解釋，但已形成一些理論，幾種常見(jiàn)的鐵電材料光伏機(jī)理包括體光伏效應(yīng)、疇壁效應(yīng)、肖特基結(jié)效應(yīng)以及退極化場(chǎng)效應(yīng)。

1.1 體光伏效應(yīng)

體光伏效應(yīng)即光生電壓在鐵電體內(nèi)部產(chǎn)生，因此在某種意義上可將鐵電體當(dāng)作一個(gè)電流源[11]。CHANUSSOT等[12]認(rèn)為體光伏效應(yīng)的產(chǎn)生是由于鐵電材料為非中心對(duì)稱晶體，電子從動(dòng)量為k的狀態(tài)躍遷到動(dòng)量為k′的狀態(tài)的概率與從動(dòng)量為k′的狀態(tài)躍遷到動(dòng)量為k的狀態(tài)的概率不同，導(dǎo)致光生載流子動(dòng)量的不對(duì)稱分布，從而在光照下產(chǎn)生穩(wěn)定的光生電壓和光生電流。

1.2 疇壁效應(yīng)

YANG等[13]制備的BiFeO3(BFO)外延薄膜具有條帶狀的鐵電疇，電疇寬度為50～300 nm，疇壁厚度約為2 nm，其中相鄰鐵電疇的電極化方向相反，鐵電疇呈周期性排列，長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百微米。從該結(jié)構(gòu)可以準(zhǔn)確地找到內(nèi)建電場(chǎng)的位置并測(cè)試電場(chǎng)強(qiáng)度，還可避免薄膜內(nèi)部的雜質(zhì)原子等對(duì)光生電壓的測(cè)試造成誤差。YANG等[13]根據(jù)該結(jié)構(gòu)提出了一種鐵電光伏機(jī)理即疇壁效應(yīng)：當(dāng)添加的金屬電極平行于疇壁方向時(shí)，薄膜產(chǎn)生的光生電壓較大，垂直于疇壁方向時(shí)，光生電壓較??；平行于疇壁方向兩金屬電極間的距離增大時(shí)，光生電壓增大，這是由于疇壁處存在極化的不連續(xù)性，導(dǎo)致疇壁兩側(cè)產(chǎn)生差值靜電勢(shì)能，兩金屬電極間的距離增大時(shí)，平行疇壁數(shù)量增加，差值靜電勢(shì)能累加，光生電壓增大。兩金屬電極間的平行疇壁和電池串聯(lián)的效果類似，此時(shí)電勢(shì)差疊加產(chǎn)生的光生電壓不受薄膜帶隙限制。

1.3 肖特基結(jié)效應(yīng)

當(dāng)鐵電材料與電極接觸形成肖特基勢(shì)壘時(shí)，界面處能帶彎曲，在光照下鐵電材料產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)被電極附近的局部電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生光生電流，此即為肖特基結(jié)效應(yīng)。光生電流的大小很大程度上由肖特基勢(shì)壘的高度和耗盡層的深度決定[14]。根據(jù)肖特基結(jié)模型，在肖特基勢(shì)壘內(nèi)部產(chǎn)生的光生電壓的大小仍然受限于鐵電材料的帶隙，肖特基效應(yīng)引起的電壓遠(yuǎn)低于大部分鐵電晶體中的反常光生電壓，因此在研究鐵電光伏效應(yīng)的初期階段，肖特基效應(yīng)引起的電壓常被忽略。但鐵電薄膜光伏器件輸出的光生電壓通常比較小，因此不能忽略鐵電薄膜光伏器件中肖特基效應(yīng)引起的電壓。一般來(lái)說(shuō)，在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)壘對(duì)光生電流的產(chǎn)生沒(méi)有貢獻(xiàn)。這是由于上下兩個(gè)相同的電極與鐵電材料構(gòu)成的2個(gè)肖特基結(jié)是背靠背的，電極附近的局部電場(chǎng)相互遏制，產(chǎn)生的光生電壓和電流相互抵消。采用不同類型的電極可以增強(qiáng)具有垂直結(jié)構(gòu)的鐵電光伏器件的光伏效應(yīng)[15]，使得肖特基結(jié)的界面電場(chǎng)和鐵電材料的內(nèi)建電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)協(xié)同疊加。肖特基結(jié)效應(yīng)與鐵電材料自身的極化方向無(wú)關(guān)，可以根據(jù)這一特點(diǎn)區(qū)分肖特基結(jié)和體光伏效應(yīng)對(duì)光生電流的貢獻(xiàn)[16]。此外，通過(guò)外加極化電場(chǎng)可以調(diào)控肖特基結(jié)界面處耗盡層的寬度，進(jìn)而控制肖特基勢(shì)壘高度，改變光生電流的大小。當(dāng)肖特基勢(shì)壘和鐵電材料極化方向在外電場(chǎng)作用下發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，光生電流的符號(hào)也發(fā)生變化[17-18]。BiFeO3(BFO)薄膜在極化過(guò)程中的肖特基勢(shì)壘的高度變化主要由氧空位的遷移引起，當(dāng)?shù)蜏貎鼋Y(jié)了氧空位的遷移時(shí)，BFO薄膜光伏效應(yīng)的方向不再隨極化方向的改變而改變[19]。

1.4 退極化場(chǎng)效應(yīng)

處于極化狀態(tài)的鐵電薄膜表面具有高密度的極化電荷，如果不考慮屏蔽效應(yīng)，這些高密度的極化電荷將會(huì)在鐵電體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)巨大的電場(chǎng)。以BFO薄膜為例，其表面的極化電荷密度約為100 μC·cm-2，這些未被屏蔽的極化電荷在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)3×1010V·m-1[20]。當(dāng)鐵電薄膜與金屬或半導(dǎo)體接觸時(shí)，薄膜表面的極化電荷會(huì)被金屬或半導(dǎo)體中的自由電荷部分屏蔽。通常，薄膜表面的電荷不會(huì)完全被屏蔽是因?yàn)闃O化電荷和自由補(bǔ)償電荷的重心不重合，會(huì)在整個(gè)鐵電薄膜內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)，即退極化場(chǎng)[21]。退極化場(chǎng)可能很大，例如對(duì)于厚度為10～30 nm的BaTiO3薄膜，由BaTiO3與SrRuO3電極構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)的退極化場(chǎng)強(qiáng)度約為4.5×107V·m-1。強(qiáng)的退極化場(chǎng)是分離光生載流子的主要驅(qū)動(dòng)力。反常光伏效應(yīng)與極化電荷的屏蔽程度密切相關(guān)[21]：極化電荷被屏蔽的程度越低，退極化場(chǎng)越強(qiáng)，光生載流子分離越高效，由反常光伏效應(yīng)能獲得更大的光生電壓和電流。通常，屏蔽電荷的分布與鐵電材料及與之接觸的金屬或半導(dǎo)體的自由電荷密度、介電常數(shù)等性能有關(guān)[22]，一般較小的自由電荷密度和較大的介電常數(shù)產(chǎn)生較弱的屏蔽效應(yīng)，從而在鐵電薄膜中產(chǎn)生較大的退極化場(chǎng)。未被屏蔽的極化電荷產(chǎn)生的退極化場(chǎng)強(qiáng)度與鐵電薄膜的厚度有關(guān)，薄的薄膜退極化場(chǎng)強(qiáng)度較大，當(dāng)薄膜超過(guò)一定厚度(大于100 μm)時(shí)，退極化場(chǎng)強(qiáng)度較小，對(duì)鐵電光伏作用的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)[23-24]。

綜上所述，鐵電材料的光伏性能受多種因素影響，且各種因素之間存在一定聯(lián)系，這給區(qū)分各種機(jī)制對(duì)鐵電光伏作用的貢獻(xiàn)帶來(lái)一定困難，但也為綜合調(diào)控鐵電材料的光伏性能提供了思路。

2 鐵電材料光伏性能的調(diào)控機(jī)制

根據(jù)體光伏效應(yīng)和疇壁效應(yīng)，鐵電相厚度越大，光生電壓越大；退極化場(chǎng)理論表明退極化場(chǎng)強(qiáng)度隨鐵電相厚度的增加而減弱，界面勢(shì)壘對(duì)鐵電光伏作用有一定貢獻(xiàn)；較高的載流子濃度和高效的太陽(yáng)光吸收效率可有效提高鐵電材料的光伏性能。因此，目前對(duì)鐵電材料光伏性能的調(diào)控主要集中在以下幾個(gè)方向。

2.1 極化調(diào)控

鐵電性(主要是自發(fā)極化強(qiáng)度)直接影響鐵電材料的光伏性能。QIN等[25]在研究多晶和具有擇優(yōu)取向的鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)鐵電薄膜的光伏性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，具有擇優(yōu)取向薄膜的光生電流和光電轉(zhuǎn)換效率比隨機(jī)取向薄膜的高1個(gè)數(shù)量級(jí)，這是因?yàn)榫哂袚駜?yōu)取向的薄膜具有更大的剩余極化強(qiáng)度。XU等[26]在氧氣中對(duì)鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜進(jìn)行退火發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度升高，薄膜的剩余極化強(qiáng)度增大，光生電流增大。PINTILIE等[27]和CAO等[28]在研究PZT、(Bi3.7Nd0.3)Ti3O12(BNT)薄膜的光伏性能與電場(chǎng)的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，光生電流對(duì)薄膜的極化狀態(tài)極為敏感，隨極化電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增大。故可以通過(guò)外加極化電場(chǎng)使鐵電材料內(nèi)部電場(chǎng)方向趨于一致，從而增強(qiáng)鐵電材料的光伏性能。

2.2 界面調(diào)控

界面結(jié)構(gòu)與狀態(tài)(包括界面形成的肖特基勢(shì)壘高度、界面層厚度等)對(duì)鐵電薄膜光伏性能有重要影響。鐵電薄膜的界面結(jié)構(gòu)和狀態(tài)與電極配置有關(guān)，因此電極配置會(huì)對(duì)其光伏性能產(chǎn)生顯著影響。QIN等[29]在研究電極配置與鐵電薄膜光伏性能的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，LSMO/PLZT/NbBSTO和Au/PLZT/NbBSTO薄膜的光生電流遠(yuǎn)高于Au/PLZT/Pt薄膜的，這是由于NbBSTO下電極與薄膜的能帶位置更匹配，界面缺陷更少，光生載流子的壽命更長(zhǎng)，光生電流更大。LSMO上電極的薄膜光生電流遠(yuǎn)大于金上電極的，這是由于電極的介電常數(shù)會(huì)顯著影響屏蔽電荷的分布和密度，屏蔽電荷的面密度越高，屏蔽效應(yīng)越強(qiáng)，光伏輸出越小，光生電流越小。與介電常數(shù)約為800的LSMO電極相比，介電常數(shù)約為6的金電極的鐵電薄膜和電極間的屏蔽電荷更集中，屏蔽電荷的屏蔽效應(yīng)更強(qiáng)，因此LSMO上電極的薄膜光生電流遠(yuǎn)大于金上電極的。ZHANG等[17]在研究PZT鐵電薄膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，光生電流既與PZT/Pt界面肖特基勢(shì)壘引起的內(nèi)建電場(chǎng)有關(guān)，又與鐵電材料自發(fā)極化引起的退極化場(chǎng)有關(guān)；PZT薄膜中由定向極化引起的光生電流與剩余極化強(qiáng)度呈正比，由肖特基勢(shì)壘的內(nèi)電場(chǎng)引起的光生電流與薄膜厚度成反比，其中界面勢(shì)壘對(duì)光生電流起主要作用。同時(shí)，CAO等[28]在對(duì)比研究剩余極化強(qiáng)度基本相同的PZT和BNT鐵電薄膜的肖特基勢(shì)壘與光生電流關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，PZT薄膜的光生電流大于BNT薄膜的，Pt/PZT/Pt和Pt/BNT/Pt結(jié)構(gòu)的上、下電極與薄膜形成的肖特基勢(shì)壘高度分別為0.29，0.76 eV和0.64，0.72 eV，說(shuō)明電極與鐵電薄膜形成的上、下界面的肖特基勢(shì)壘的非對(duì)稱程度越大，產(chǎn)生的光生電流越大。此外，界面勢(shì)壘引起的光生電流不僅與勢(shì)壘高度有關(guān)，還與電極界面層厚度相關(guān)，通過(guò)退火工藝可以調(diào)控界面層厚度，從而改善薄膜的光伏性能[30]。

2.3 尺度調(diào)控

鐵電薄膜的尺度包括薄膜厚度、晶粒尺寸和電疇尺寸等。一般隨著薄膜厚度減小，光生電壓減小，光生電流增大。QIN等[25]和PINTILIE等[27]發(fā)現(xiàn)，薄膜厚度在260～1 500 nm時(shí)，光生電流隨著PLZT薄膜厚度的減小而增大，但厚度減小至幾十納米時(shí)，鐵電薄膜的小尺寸效應(yīng)使光生電流下降。然而，YANG等[13]研究發(fā)現(xiàn)，單疇結(jié)構(gòu)BFO薄膜的光生電壓隨薄膜厚度的增大無(wú)明顯變化。CAI等[31]通過(guò)控制退火溫度制備得到平均晶粒尺寸為20～150 nm的PbZr0.2Ti0.8O3薄膜，發(fā)現(xiàn)PbZr0.2Ti0.8O3薄膜的開路電壓和短路光生電流均隨晶粒尺寸的增大先增大后減小，峰值出現(xiàn)在平均晶粒尺寸為40 nm處，分別為0.96 V和57.7 nA，薄膜晶粒尺寸小于40 nm時(shí)，開路電壓和短路光生電流隨晶粒尺寸的減小有較大幅度的降低，推測(cè)是薄膜晶粒尺寸達(dá)到了其鐵電臨界尺寸，電疇結(jié)構(gòu)消失導(dǎo)致的。

2.4 空間電荷調(diào)控

多晶鐵電薄膜的晶界、電極與薄膜之間的界面上均存在空間電荷，會(huì)直接影響鐵電薄膜的光伏性能。QIN等[29]研究發(fā)現(xiàn)，PZT薄膜在氧氣中700 ℃退火后的光生電流最大，這是由于在氧氣中700 ℃退火后，該薄膜具有最低的空間電荷密度，且漏電流特性表明其上、下界面的肖特基勢(shì)壘高度與其他溫度下退火的薄膜相比最不對(duì)稱。因此，合適的熱處理可以降低空間電荷密度，大大提高退極化場(chǎng)強(qiáng)度，從而獲得理想的鐵電薄膜光生電流；同時(shí)，構(gòu)建非對(duì)稱的界面結(jié)構(gòu)也有利于薄膜光伏性能的提高。

2.5 帶隙調(diào)控

傳統(tǒng)的鐵電材料，如BaTiO3、PZT和BiFeO3等都具有ABO3八面體結(jié)構(gòu)。八面體配位結(jié)構(gòu)的鐵電體分裂能較高，因此此類鐵電材料的禁帶寬度一般超過(guò)3 eV，只能吸收少部分的可見(jiàn)光。由晶體場(chǎng)理論可知，與FeO6八面體相比，F(xiàn)eO4四面體具有更小的配位數(shù)和反向t2g/eg軌道，故FeO4四面體結(jié)構(gòu)具有更小的帶隙。已有研究者制備出了基于四面體配位結(jié)構(gòu)的窄帶隙鐵電材料。目前有關(guān)四面體配位結(jié)構(gòu)鐵電材料的研究較少，而作者所在團(tuán)隊(duì)在這方面開展了一些工作，采用水熱法制備了BaFe4O7[32]、Bi2Fe4O9[43]、高溫相KBiFe2O5[34]等鐵電材料，并采用紫外-可見(jiàn)-近紅外漫反射光譜表征了這3種鐵電材料的光學(xué)帶隙，結(jié)果表明BaFe4O7的帶隙為2.2 eV，比傳統(tǒng)鐵電材料的(3～4 eV)低得多。與BaFe4O7鐵電材料相同，Bi2Fe4O9也具有FeO4四面體和FeO6八面體結(jié)構(gòu)，帶隙與BaFe4O7的接近，約為2.13 eV，小于八面體BiFeO3的(2.7 eV)[35-36]，說(shuō)明四面體配位結(jié)構(gòu)能降低鐵電材料的帶隙。通過(guò)一步水熱法+高溫?zé)Y(jié)制備的KBiFe2O5大單晶鐵電材料具有純FeO4四面體配位結(jié)構(gòu)，高溫相KBiFe2O5為窄帶隙鐵電材料，帶隙約為1.6 eV，比同時(shí)具有FeO4四面體和FeO6八面體結(jié)構(gòu)的鐵電材料的帶隙低得多，這進(jìn)一步說(shuō)明四面體配位結(jié)構(gòu)能夠顯著降低鐵電材料的帶隙。

2.6 氧缺位自摻雜

LI等[37]利用鋁還原的方法制備得到黑化鈦酸鋇納米顆粒，實(shí)現(xiàn)了鈦酸鋇在可見(jiàn)光波段的有效光吸收。鋁還原使得鈦酸鋇納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)氧缺位，部分Ti4+轉(zhuǎn)化為Ti3+，這就在鈦酸鋇的能帶結(jié)構(gòu)中引入了施主能級(jí)[38-39]，從而減小了黑化鈦酸鋇光學(xué)帶隙、大大增強(qiáng)對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力。因此，氧缺位自摻雜也是調(diào)控鐵電材料光伏性能的有效方法之一。

2.7 鐵電-半導(dǎo)體耦合

SHVYDKA等[40]首次提出了一種新型的鐵電-半導(dǎo)體耦合光伏器件模型，這種模型在以往光伏技術(shù)研究中一直未得到關(guān)注。與傳統(tǒng)p-n結(jié)不同的是，該光伏器件模型通過(guò)具有鐵電特性的納米顆粒矩陣的極化電場(chǎng)產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，由填充在納米偶極子顆粒之間的半導(dǎo)體介質(zhì)充當(dāng)吸光材料。在光照條件下，半導(dǎo)體吸光材料吸收可見(jiàn)光，產(chǎn)生光生載流子。光生載流子在極化場(chǎng)的作用下分離，并向電池兩極運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)外電路輸出功率，完成太陽(yáng)能光伏器件的電流和電壓兩個(gè)必要輸出。該光伏器件中的窄帶隙半導(dǎo)體材料與鐵電體組成的復(fù)合異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)既解決了傳統(tǒng)鐵電材料由于寬帶隙導(dǎo)致的太陽(yáng)能利用率低的問(wèn)題，又提高了光生載流子的分離效率，從而大大提高了光伏器件的光伏性能。因此，選取能帶位置匹配合適的窄帶隙半導(dǎo)體材料與鐵電體組成復(fù)合異質(zhì)結(jié)，能顯著提高光伏器件的光伏性能。

2.8 分子鐵電體制備

隨著柔性可穿戴器件需求的增加，近年來(lái)有關(guān)分子鐵電體的研究引起了廣泛關(guān)注。研究[41-43]表明，分子鐵電體的飽和極化強(qiáng)度和相變溫度均接近或超過(guò)傳統(tǒng)無(wú)機(jī)鐵電陶瓷。有機(jī)分子的種類眾多，通過(guò)引入金屬離子可得到金屬-有機(jī)雜化鐵電體[44]。LIU等[45]利用水熱法制備了HDA-BiI5窄帶隙有機(jī)無(wú)機(jī)雜化分子鐵電體，發(fā)現(xiàn)該鐵電體的光學(xué)帶隙約為1.92 eV，遠(yuǎn)小于常規(guī)無(wú)機(jī)鐵電材料的；合適的外加極化場(chǎng)和電子傳輸層均能顯著增強(qiáng)分子鐵電體的光伏性能。目前，分子鐵電體研究面臨的挑戰(zhàn)為難以預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)鐵電相變，需要進(jìn)一步了解固體結(jié)構(gòu)相變和分子間的相互作用。目前，構(gòu)筑分子鐵電體主要依賴于經(jīng)驗(yàn)積累和試錯(cuò)法。根據(jù)鐵電相變過(guò)程中晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性變化和鐵電相的對(duì)稱性要求(居里原理、諾埃曼原理)，利用晶體數(shù)據(jù)庫(kù)，尋找潛在的分子基鐵電體，是較為穩(wěn)妥、有效的方法之一[46]。

3 結(jié)束語(yǔ)

作者主要從窄帶隙鐵電材料的制備方式與思路、氧缺位自摻雜增強(qiáng)可見(jiàn)光吸收、構(gòu)建復(fù)合異質(zhì)結(jié)、制備多極軸分子鐵電體、外加極化場(chǎng)調(diào)控鐵電材料內(nèi)部電疇朝向與分布等方面對(duì)鐵電材料內(nèi)電場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)理及相應(yīng)調(diào)控機(jī)制對(duì)鐵電光伏材料的光伏性能的影響進(jìn)行了綜述。內(nèi)建電場(chǎng)改變了鐵電材料界面的能帶彎曲程度，為光生載流子的有效分離提供了驅(qū)動(dòng)力，減小了光生載流子的復(fù)合概率，從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率；自摻雜或合成窄帶隙鐵電材料能夠極大拓寬光伏過(guò)程中太陽(yáng)光的吸收范圍，提高光生載流子濃度，從而提高光生電流密度；能帶位置匹配的窄帶隙半導(dǎo)體材料與鐵電體構(gòu)建的復(fù)合異質(zhì)結(jié)，由于界面電場(chǎng)與鐵電材料內(nèi)建電場(chǎng)的協(xié)同、敏化作用，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)光生載流子的高效分離，拓寬可見(jiàn)光的吸收范圍，從而提高載流子的濃度。總體來(lái)看，應(yīng)用于光伏領(lǐng)域的二維鐵電薄膜中光生電流的提高可以通過(guò)增大薄膜的剩余極化強(qiáng)度、增加上下電極與鐵電體界面的肖特基勢(shì)壘非對(duì)稱程度、增加薄膜對(duì)光的吸收等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在半導(dǎo)體材料光電體系中實(shí)現(xiàn)光生電子-空穴對(duì)的有效分離是提高光電轉(zhuǎn)換效率的必要手段，調(diào)控內(nèi)電場(chǎng)是驅(qū)動(dòng)光生電子-空穴對(duì)分離，提高鐵電材料光伏性能的有效方法。目前，通過(guò)調(diào)控內(nèi)電場(chǎng)來(lái)提高光伏性能的研究仍存在較多難點(diǎn)，提高光電轉(zhuǎn)換的效率仍受到制約。未來(lái)通過(guò)調(diào)控內(nèi)電場(chǎng)來(lái)提高光伏性能的研究將集中在以下方面：進(jìn)一步研究光電材料中內(nèi)電場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)制，提出各種定性和定量表征內(nèi)電場(chǎng)的有效方法；進(jìn)一步認(rèn)識(shí)內(nèi)電場(chǎng)與光電材料表面載流子的濃度分布、光電材料表面的物理化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，建立理論計(jì)算模型，從而指導(dǎo)高光電轉(zhuǎn)換效率新型光電材料的合成及其光電轉(zhuǎn)換機(jī)制研究；從半導(dǎo)體產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)的物理本質(zhì)出發(fā)，揭示內(nèi)電場(chǎng)作用下光生載流子的分離機(jī)制及光電材料表面電荷分布的變化；從內(nèi)電場(chǎng)的角度認(rèn)識(shí)光生載流子的分離、遷移等過(guò)程，考慮光電材料中表面原子、電子的結(jié)構(gòu)變化對(duì)光電轉(zhuǎn)換機(jī)制的影響，指導(dǎo)高光伏性能鐵電材料的制備。