不同于传统太阳能电池仅依靠界面效应产生光伏效应,铁电薄膜拥有独特的光伏效应原理,其原理主要是依靠铁电材料的剩余极化产生的内建电场和界面的肖特基势垒来分离光照产生的电子-空穴对,其内建电场分布于整个铁电材料内而不仅仅分布于界面处,并且内建电场的方向会随着外加电压方向的改变而改变。锆钛酸铅(PZT, Pb(ZrxTil-x)O3)薄膜具有优异的压电、铁电和介电性,其结构和性能会随着组分的改变而改变。目前还未见报道过PZT梯度铁电薄膜的光伏效应,所以本文对其进行了探索性研究。为了研究单一组分和梯度组分PZT铁电薄膜在光伏效应上的区别,本文首先在室温、无蒸馏回流和惰性气氛保护的条件下,采用化学溶液分解法分别制备了PT、PZ独立前驱体溶液,然后采用组合化学法将PT、PZ溶液以不同的体积比混合,配制了不同锆含量的PZT前驱溶液,并且用旋涂法制备了单组分PZT铁电薄膜以及富钛区、准同型相界、富锆区的梯度跨度为0.1的上梯度PZT薄膜和下梯度PZT薄膜,并且还制备了平均组分为含锆量50%,梯度跨度为0.1-0.4的不同梯度跨度的上梯度PZT铁电薄膜。文中PZT0.1表示锆含量为0.1的PZT铁电薄膜。 从所制薄膜的X射线衍射图谱可以看出,所有单一组分、上梯度和下梯度薄膜均为钙钛矿结构,其主要结晶晶面为(100)、(110)、(111)晶面,结晶效果良好。薄膜的择优取向均为(110)晶面,FTO的(110)晶面与PZT(110)晶面之间的晶格失配率最小,(110)晶面的成核能最低,因此薄膜在FTO(110)的影响下呈现(110)取向生长。对于单一组分的PZT,随着锆含量的增大,衍射峰总体来说向左移动,说明了薄膜的晶格参数随着组成的改变而发生变化。本文用高压长弧汞灯作为光源,发射出中心波长为365nm的紫外光,将光强调节至100mW/cm2,照射单一组分和梯度组分的PZT薄膜,采用Keithey2400源表来测试薄膜的I-V曲线,并利用软件计算出光电转换效率。对于单一组分的PZT薄膜,随着锆含量的增加,开路电压、短路电流、转化效率整体来说逐渐变小,PZT0.1的开路电压达到了0.56V,短路电流达到了2.42μA/cm2,PZT0.9的开路电压只有0.2V,短路电流也只有0.78μA/cm2。而对于梯度铁电薄膜,在富钛区域,上梯度薄膜PZT123拥有较高的开路电压,和较高的填充因子,单一组分PZT0.2却拥有更高的转化效率。在准同型相界区域,上梯度薄膜拥有较高的开路电压、转化效率和填充因子。在富锆区域,单一组分PZT0.8拥有相对较大的开路电压和短路电流,以及相对较大的光电转化效率。对于中心组分为PZT0.5,不同梯度跨度的组分梯度薄膜,跨度在0.2以内的上梯度薄膜PZT456和PZT357,其开路电压和转化效率随着梯度跨度的增大而逐渐增大,对于梯度跨度大于0.2的上梯度薄膜PZT258和PZT159,其开路电压和转换效率逐渐减小,上梯度薄膜PZT357拥有最高的开路电压0.50V。但是无论是单一组分还是梯度组分PZT铁电薄膜,其转换效率都较低,原因是铁电材料本身的导电性较差导致其拥有较大的内阻,因而短路电流很小,并且其短路电流随着梯度跨度的增大而逐渐减小。通过对薄膜进行紫外-可见吸收测试,计算出了PZT0.1-PZT0.9的禁带宽度,然后通过进行漏电流I-V曲线测试,计算出了PZT0.1-PZT0.9的下界面肖特基势垒,用Premiere Ⅱ铁电测试仪测试其铁电电滞回线,并计算出了其剩余极化强度和矫顽场值。通过对禁带宽度、肖特基势垒、剩余极化强度的分析,来阐明了影响单组分PZT铁电薄膜和组分梯度PZT铁电薄膜的光伏效应的因素。由实验表征结果分析表明,禁带宽度影响了PZT铁电薄膜的吸收光的波长范围,进而影响在相同光照条件下受光照激发产生的电子空穴对浓度。剩余极化强度和肖特基势垒的大小和方向则共同影响了其分离电子空穴对的能力,进而影响其开路电压,剩余极化值越大,下界面肖特基势垒越小的PZT梯度薄膜拥有较大的开路电压。PZT薄膜的结晶程度的好坏和层与层之间组分和结构的相似程度将会影响其界面电阻的大小,从而影响其短路电流,梯度跨度越小,结晶效果越好的PZT梯度铁电薄膜拥有较小的界面电阻和较大的短路电流。实验结果表明,对于中心组分相同PZT薄膜,上梯度PZT薄膜比单组分PZT薄膜拥有更大的开路电压,而单组分薄膜比梯度组分薄膜拥有更大的短路电流,上梯度薄膜的光伏效应要优于下梯度薄膜的光伏效应。中心组分相同,梯度跨度不同的上梯度铁电薄膜的光伏效应也有区别,当梯度跨度为0.2时,其光伏效应达到最佳。