Avances En El Comportamiento Fotovoltaico De Ferroelectric Bifeo3.docx

Avances en el comportamiento fotovoltaico del Ferroeléctrico BiFeO3

Abstracto La ferrita de bismuto (BFO) es quizás el único material multiferroico (ferroeléctrico, antiferromagnético) a temperatura ambiente. En esta revisión, se ha investigado su uso en aplicaciones fotovoltaicas. Un espacio de banda bajo (E≈2.2 - 2.7 eV) dentro del rango de luz visible hace que BFO sea un candidato potencial para dicha aplicación. Revisamos el progreso reciente en la observancia del efecto fotovoltaico en BFO que aborda el papel de las heteroestructuras, el efecto del dopaje y el papel del dominio y el electrodo en la fotorrespuesta del BFO. Estudios recientes revelan que los materiales ferroeléctricos de perovskita son los materiales prometedores para la aplicación fotovoltaica. En los últimos años, se ha observado un aumento considerable en el estudio de las películas delgadas ferroeléctricas. Esto puede atribuirse a los altos voltajes de circuito abierto en estas películas delgadas. Se ha observado que el mecanismo físico del efecto fotovoltaico en ferroeléctricos todavía está bajo observación /avance en comparación con el semiconductor fotovoltaico convencional.

1. Introducción Impulsados por la crisis energética en el mundo, los esfuerzos de investigación han sido dirigidos hacia el aprovechamiento eficiente de la energía solar para generar electricidad y contribuir así a la conservación ambiental. Ferroeléctricos y multiferroicos han recibido mucha atención por su avance en la aplicación fotovoltaica. Multiferroico es una clase de materiales, con dos o más propiedades ferroicas unidas entre sí. La recolección de energía de ferroeléctricos y multiferroicos es un área de investigación extensa. Una revolución ha sido traído por el acoplamiento de propiedades ferroicas y ópticas en fotovoltaica. Reconocimiento global ya se ha dado a la recolección. de energía solar a través de células solares fotovoltaicas (PV) (como se muestra en la Fig. 1) que se ha convertido en la alternativa más prometedora de las fuentes de energía tradicionales en función de los mecanismos, materiales y eficiencias de conversión. Las células solares convencionales del dispositivo de unión p-n simple basadas en silicio de primera generación están disponibles comercialmente en el mercado. En la actualidad, la producción de células solares está dominada en gran medida por los módulos de silicio cristalino. Las eficiencias relativamente altas y las técnicas de fabricación maduradas son las Factores que lo hacen popular. Pero todavía hay mayor problema de poder. Recolección de energía fotovoltaica en comparación con el combustible fósil existente.

Fig. 1 Anatomía de la célula solar. Las tecnologías fotovoltaicas son diferentes en función del tipo de material utilizado, lo que determina las características de voltaje-corriente (I-V) y la eficiencia del dispositivo. Las células fotovoltaicas, basadas en el silicio y los compuestos semiconductores II-IV tienen altas eficiencias de conversión y el transporte de carga a menudo está limitado por la difusión en la célula solar basada en la unión. En las celdas basadas en uniones convencionales, el voltaje del circuito abierto no puede exceder la altura de las barreras de energía de la unión, que generalmente es inferior a 1V [1-3]. Las eficiencias de conversión más altas se reportan para los derivados de unión única y de unión múltiple de los materiales de las células PV y se originan a partir de una variedad de otros mecanismos, como el gradiente en un potencial químico [3] o la polarización de espín [4]. Los esfuerzos de investigación y desarrollo en los últimos 30 años, las células solares han alcanzado una eficiencia de ~ 46% [3]. Hay una búsqueda en curso para mejorar aún más la eficiencia de las células fotovoltaicas y para reducir el costo de fabricación. El factor que impulsa la investigación fotovoltaica es la generación de potencia máxima por dólar. Por esta razón, la exploración de otras alternativas ha cobrado impulso en los últimos años. Los materiales ferroeléctricos son una de las últimas incorporaciones entre estos y esta área de investigación es generalmente denominado como fotovoltaico ferroeléctrico (FEPV). Según los informes recientes del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), las células solares de perovskitas muestran una eficiencia del 20,1%. Los científicos de Corea del Sur propusieron un nuevo método de fabricación que rompió el récord de eficiencia de una célula solar de perovskita a principios de este año. La técnica de producción de absorbentes solares es capaz de romper el récord de eficiencia del 20,1%. Ha habido un aumento significativo en la eficiencia del dispositivo de perovskita: del 14% al 20% entre 2012 y 2014. Se han utilizado células solares de silicio desde hace décadas, pero el rendimiento de las perovskitas aún está en duda, ya que algunos grupos de investigación aún están investigando sus problemas de estabilidad. a la larga. Una estrategia eficiente y rentable para fabricar células solares de perovskita ha sido diseñada por el grupo del Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea. Esta célula solar exhibió una eficiencia máxima de 20.2%, que es uno de los mejores rendimientos en células solares de perovskita. Los materiales ferroeléctricos de baja banda (en el espectro visible) son prometedores en su aplicación potencial en nuevos dispositivos de energía solar. BiFeO3 (BFO) de baja banda con propiedades multiferroicas a temperatura ambiente ha atraído mucha atención en futuras aplicaciones de células solares [5].

2. Mecanismo de la fotovoltaica ferroeléctrica (FEPV) La característica interesante de los materiales ferroeléctricos es su polarización espontánea, que es esencial para las aplicaciones de dispositivos [6-7]. Además, Muestran una respuesta fotovoltaica (PV) intrínseca. Surge de un fuerte. Acoplamiento entre luz, fotocorrientes y grados de escala atómica de Libertad que provoca una modulación (impulsada por la corriente) del campo interno [8]. Cuando un material ferroeléctrico se ilumina con luz de longitud de onda correspondiente a la banda de energía (Ej.) del material, portadores de carga Se generan (pares de electrones). Estos portadores fotogenerados son Separados e impulsados a los electrodos por el campo eléctrico interno inducido por polarización, causando una salida fotovoltaica. Para un dispositivo fotovoltaico semiconductor basado en uniones, el campo eléctrico, existente en la capa de agotamiento en la interfaz (unión p-n) (Fig. 2) separa los portadores de carga. Por lo tanto, el efecto fotovoltaico en ferroeléctricos es un efecto basado en el volumen. Se diferencia del efecto fotovoltaico semiconductor basado en la unión. En vista del hecho de que el campo eléctrico interno no está limitado a una región interfacial en un ferroeléctrico, se pueden generar respuestas de PV sin formar estructuras de unión complejas [9].

Fig. 2 Mecanismo de célula fotovoltaica. Se pueden establecer los siguientes cuatro mecanismos para la separación de carga. en dispositivos fotovoltaicos ferroeléctricos (FEPV): (1) campo de despolarización o las paredes de dominio [10, 11], (2) presencia de la unión hetero o p – n en las interfaces [12, 13], (3) simetría no centro del material ferroeléctrico [14] y (4) granular interfaz es decir, mal controlada [15]. El voltaje fotovoltaico en los dispositivos fotovoltaicos ferroeléctricos no está limitado por el intervalo de banda del material como efecto fotovoltaico observado en una unión p-n de semiconductor. Dado que los materiales ferroeléctricos tienen un ancho de banda grande, la eficiencia de conversión de energía y la corriente de cortocircuito (Isc) se encuentran bajas cuando se observan bajo la luz solar, sin embargo, con la ayuda del dominio ingeniería, se puede obtener un alto voltaje de circuito abierto (Voc) [16]. La investigación del efecto fotovoltaico

ferroeléctrico se exploró originalmente en varios óxidos de perovkita como BaTiO3 [17, 15], PbTiO3 [18], Pb (Zr, Ti) O3 [19, 20-22], PLZT [23] y LiNbO3 [24]. Los materiales de óxido son baratos, abundantes, estables, altamente absorbentes de la luz y sus propiedades tales como como el intervalo entre bandas y su conductividad se pueden ajustar mediante sustitución química, lo que los convierte en un candidato adecuado para la película fotovoltaica ferroeléctrica de película delgada [25]. Se generó una excitación debido a su gran voltaje de circuito abierto> 100 V, cuando el cristal se sometió a iluminación [26]. El efecto fotovoltaico ferroeléctrico a granel (BFPVE) es un fenómeno fascinante con muchas características únicas, donde una fotocorriente es proporcional a la magnitud de polarización y la separación de portadores de carga en medios homogéneos [9]. La polarización del remanente y el campo interno inducido por la polarización existen en toda la región del volumen de la ferroeléctrica en un efecto fotovoltaico ferroeléctrico en masa en lugar de una capa de agotamiento interfacial delgada. Las pequeñas densidades de corriente del orden de nA / cm2 limitan la eficiencia fotovoltaica en ferroeléctrica debido a sus grandes brechas de banda. En el caso de BFPVE, el transporte de carga no está limitado por la difusión y las barreras de energía (intervalo de banda de energía) no restringen la tensión de circuito abierto (Voc) [9, 27]. La conductividad a granel intrínsecamente baja de los dominios ferroeléctricos es una desventaja importante en el logro de una alta eficiencia de conversión, ya que se ha demostrado una conversión débil en materiales ferroeléctricos, porque los dominios con fugas no pueden soportar una fuerte polarización eléctrica. Además, la gran brecha de banda de los materiales ferroeléctricos permite una fuerte absorción de la luz en la región UV. También se demostró que la tensión fotoeléctrica podría invertirse o mejorarse, controlando la polarización ferroeléctrica, que fue controlado a su vez por poling eléctrico en películas delgadas a base de plomo [23]. El proceso de aplicar un voltaje eléctrico más alto que el campo coercitivo, a un material ferroeléctrico, mientras se enfría desde la temperatura de transición a la temperatura ambiente, se conoce como Poling. Para lograr la máxima polarización, el polo ayuda a orientar los dominios ferroeléctricos en una dirección particular. Recientemente, la energía fotovoltaica ferroeléctrica y multiferroica ha vuelto a vitalizar las células solares de tercera generación a través del descubrimiento de respuestas fotográficas muy grandes en algunos compuestos ferroeléctricos y multiferroicos como Pb (Zr, Ti) O3 (PZT), BiFeO3 (BFO) y Bi2FeCrO6 (BFCO) . Efecto fotovoltaico en Ferroeléctrico (FE) se descubrió hace aproximadamente cinco décadas, aunque llegó a la luz pública a través del descubrimiento de grandes voltajes fotovoltaicos (15 V) en películas delgadas de BFO [28, 29]. El campo eléctrico inherente debido a la no asimetría de centros es responsable de causar efectos de PV en ferroeléctricos Como mantiene la separación de carga a través de la polarización espontánea. Se ha encontrado que la fotovoltaje desarrollada es proporcional a la magnitud de la polarización eléctrica y la separación entre los electrodos, es decir, el espesor del material [30]. Aunque, es posible generar una fotovoltaje muy grande en ferroeléctricos aunque la fotocorriente es baja. Pero, según los informes recientes, la baja intensidad de la corriente no es más un límite para esto. La clase dieléctrica como las nuevas ideas como 'fotovolturas grandes por encima del intervalo de banda' [28], 'papel de las paredes de dominio' [31], 'efecto de películas delgadas' [32] 'efectos PV mejorados de la punta' [33], etc., son desarrollado [34]. Las revisiones del estudio general de la magnetoelectricidad existen por Schmid [35] seguido por Fiebig [36] y luego por Eerenstein [37] et al. El interés actual en la ferrita de bismuto fue aumentado por un artículo de 2003 del grupo de Ramesh [38]. Mostraron un remanente grande inesperado.

polarización que fue 15 veces mayor que el valor anterior como se ve en El grueso, junto con un gran ferromagnetismo de ca. 1.0 Bohr magnetron. Los cristales individuales cultivados en Francia confirmaron este gran valor de polarización en las películas y lo muestran como intrínseco. Este documento demostró ser estimulante, lo que más inspiró a otros a investigar en el campo del BFO. En los últimos años, BiFeO3, uno de los materiales multiferroicos más estudiados [3941], es un compuesto de pervoskita multiferroico con propiedades multiferroicas que se exhiben a temperatura ambiente y ha atraído una atención considerable, ya que tiene una alta temperatura de Curie ferroeléctrica (Tc ~ 830 ° C) y también la temperatura Nieel antiferromagnética (TN ~ 370 ° C). Los iones Bi3 + y Fe3 + son responsables de la ferroelectricidad y el magnetismo. La ferroelectricidad se produce debido a Bi3 + y el antiferromagnetismo se debe a los iones Fe3 + [42]. El efecto fotovoltaico ferroeléctrico ha abierto posibilidades en aplicaciones potenciales, incluida la recolección de energía y aplicaciones fotovoltaicas. BFO es popular ya que es un multiferroico sin plomo con un ancho de banda relativamente estrecho, lo que lo hace respetuoso con el medio ambiente. FEPV (Ferroelectric photovoltaic) también se ha observado en otros materiales como BaTiO3, LiNbO3, PZT. Estos materiales tienen un ancho de banda óptico grande y una densidad de corriente pequeña. Los dispositivos funcionales eficientes parecen haberse materializado debido a los beneficios excepcionales de FEPV sobre PV fotovoltaico convencional, incluyendo alto voltaje de salida y respuesta PV controlada por polarización. A pesar de que los esfuerzos iniciales se centraron en estudiar las propiedades fotovoltaicas en películas a granel y delgadas de BaTiO3 ferroeléctrico, LiNbO3 y Pb (Zr, Ti) O3, etc. [29], sin embargo, recientemente, el Multiferroic de fase única BiFeO3 (BFO) ha recibido gran atención debido brecha de banda inferior en el rango de ~ 2.2– 2.7 eV [43, 44] y alta polarización [45, 46]. Además, la presencia de múltiples grados de libertad debido a las propiedades multiferroicas en BFO es beneficiosa para controlar aún más las propiedades fotovoltaicas que pueden proporcionar una funcionalidad adicional a las células solares de la próxima generación. Recientemente, varios grupos han informado sobre la respuesta fotovoltaica en películas delgadas de BFO de alta calidad cultivadas en diferentes sustratos que incluyen óxidos y metales. Aquí en esta revisión intentamos resumir el efecto fotoeléctrico. Observado en películas delgadas de BFO. El papel de las heteroestructuras, el dopaje, Electrodo y paredes de dominio ha sido revisado. Se ha mostrado una fotoconductividad apreciable en BFO bajo iluminación de luz visible debido a la presencia de otros mecánicos, eléctricos y magnéticos. Funcionalidad [25, 47, 48].

3. Factores que afectan la fotoconductividad 3.1 Papel de la heteroestructura.

La capacidad de hacer crecer películas de alta calidad con interfaces controladas, disposición atómica y composición ha llevado a la creación de nuevos materiales funcionales y, de hecho, parece prometedor para el diseño racional de los nuevos equipos multiferroics. Aquí revisamos el progreso en la formación de heteroestructuras multicapa para una fotorrespuesta mejorada. Recientemente, Sharma et al [49] informaron una heteroestructura de múltiples capas con cinco capas alternas de películas delgadas de BFO y BTO de una sola fase que se depositaron utilizando la técnica PLD. Se observó un notable incremento en las

propiedades ferroeléctricas fotocorriente y mejorada. Los dos factores que resultaron en una buena respuesta fotovoltaica ferroeléctrica fueron la baja brecha de banda óptica (~ 2.6 eV) y la alta polarización ferroeléctrica (~ 60 μC / cm2) en la estructura multicapa de BFO. La eficiencia de conversión de potencia de luz a electricidad calculada a 405 nm fue relativamente alta (0.067%). Esta respuesta se atribuyó al fuerte campo de despolarización debido a una mayor polarización del remanente y un menor intervalo de banda. El sistema multicapa de BFO mostró un potencial para la recolección de energía y otras aplicaciones fotovoltaicas. Tiwari et al [50] examinaron la heterounión BFO / ZnO. Se observó que las películas, cuando se depositaron por la solución de precursor orgánico metálico seguida de recocido, dieron como resultado una eficiencia de fotoconversión del 3,98%. Por lo tanto, la heterounión diferente también ha sido prominente para los efectos fotovoltaicos. Qu et al [12] fabricaron el BFO / NSTO heterojunciones con efectos de conmutación de resistencia a temperatura ambiente (RS) y efectos fotovoltaicos (PV) de luz blanca en PLD cultivados con un excímero KrF láser = 248 nm. La frecuencia del rayo láser fue de 5 Hz y la densidad de energía del pulso en el objetivo fue de 1,2 J / cm2. La potencia de la fuente de iluminación de luz blanca es de 285 mW / cm2. El voltaje de circuito abierto fue de aproximadamente 40 mV. La eficiencia fotovoltaica de la heterounión es aproximadamente ~ 3 x 10−2 %. Chang et al [51] investigaron las propiedades fotovoltaicas de las películas delgadas de BiFeO3 cultivadas en sustrato de Pt / Ti / SiO2 / Si (100) mediante sputtering de RF. Se observó un aumento en la densidad de fotocorriente al aumentar la intensidad del láser con una longitud de onda de 405 nm utilizada para la iluminación. Sin embargo, el circuito abierto. No se informó el voltaje (Voc). Recientemente se notificó un comportamiento similar al diodo y un efecto fotovoltaico en la estructura La0.67Sr0.33CoO3 / BFO / ZnO: Al con una corriente de cortocircuito de ~ 4 μA / cm2 y un voltaje de circuito abierto de ~ 0.22 V, obtenido bajo iluminación de luz blanca [52] . En otro trabajo, Fang et al [53] informaron una gran respuesta fotovoltaica conmutable en la heteroestructura Pt / BFO / La0.7Sr0.3MnO3. Los valores reportados de Voc e Isc fueron ~ 0.20 V, 1.0 pA y ~ 0.18 V y 1.44 pA para polarización hacia abajo y hacia arriba respectivamente. Puli et al sintetizaron películas delgadas de BFO policristalinas modificadas con metales de transición cultivadas en sustratos de Pt / Ti / SiO2 / Si y reportaron respuesta fotovoltaica con densidad de corriente de Voc y cortocircuito (Jsc) como ~ 0.9 V y ~ 0.051 μA / cm2 en configuración de electrodo sándwich utilizando el electrodo superior de Pt [54].