近年来，随着经济社会的快速发展，化石能源危机、气候变化、水污染、大气污染等问题日益严重，促使人们开始大力开发清洁可再生能源，如太阳能、风能、水能，其中应用最多和最有前途的新能源代表是太阳能电池。近几十年来，人们开发了硅（Si）基太阳能电池、染料敏化太阳能电池、CuInxGa(1-x)Se2(CIGS) 太阳能电池、III-V 族半导体太阳能电池硅基光伏电池目前已实现大规模商业化生产，但其光电转换机制决定了只有光光子能量超过材料的带隙可以产生电流，这导致太阳能转换中的一个主要问题是光电转换效率低。目前硅基太阳能电池的光电转换效率（PCE）已经接近肖克利-奎塞尔极限（≈32%），难以进一步提高，因此寻找新的太阳能电池材料迫在眉睫。与传统的p-n结不同，铁电光伏具有反常光伏效应，光照下的光生电压不受材料禁带带宽的限制。其光电转换效率有望突破传统半导体光伏电池的理论效率，在太阳能电池等领域具有潜在的应用前景。具有宽带隙（>3.0 eV），严重限制可见光谱吸收的比例，从而产生非常低的功率转换效率并限制进一步发展。目前对铁电光伏材料的研究主要集中在提高输出光电流上。由于太阳能电池在高温下运行，因此考虑温度升高对铁电光伏的影响至关重要。
来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所的学者通过溶胶凝胶法在云母基板上构建了 LNO（镍酸镧，LaNiO3）/BFO（高铁酸铋，BiFeo3）/ITO（氧化铟锡）器件。该器件实现了宽温度范围（33~183℃）的输出光电流增强，其中130℃时光电流增强最大，相对于室温提高了178%，输出功率也提高了9.88倍。同时对比BFO bulk发现，在测试温度范围内BFO薄膜的性能始终高于bulk，BFO薄膜在室温下的输出光电流是bulk的104倍。本文研究了高温对铁电光伏的影响，并提供了提高铁电薄膜光伏性能的策略，为铁电薄膜未来在柔性太阳能电池和其他应用中的应用提供了指导。相关文章以“Boosted Photocurrent via Heating BiFeo3 Thin Film for UV Photodetector
at Wide Temperature Range”标题发表在Advanced Functional Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202303408
图 1.a) 展示了 BFO 薄膜和 BFO 本体在高温下的改进性能。b) LNO/BFO/ITO光电探测器的结构图。c) LNO/BFO/ITO 光电探测器的照片。d) BFO 块体和 BFO 薄膜的XRD 图。e) BFO 薄膜的横截面 SEM 图像。
图 2.a) BFO 薄膜和 BFO 体光电探测器在 405 nm 光下 33–200 ℃ 温度范围内的光伏特性 (I–T) 曲线。b) BFO薄膜和BFO体光电探测器输出电流与温度的关系。c,e) BFO 薄膜和 BFO 体光电探测器分别在室温和 130 ℃ 下的输出功率。d) BFO薄膜光电探测器在不同温度下的输出电流改善率。
图 3. a、b) BFO 薄膜光电探测器分别在室温和 130℃下的输出电流和入射光强度之间的关系。c) BFO 薄膜和 BFO 体光电探测器输出电流的温度和光强度依赖性。d) BFO 薄膜器件的响应度和探测度分别为 33 ℃ 和 130℃的入射光强度。
图4.a） 室温下BFO薄膜的光电流信号和能带图。b）BFO薄膜在130℃时的光电流信号和能带图 c）BFO薄膜在200℃时的光电流信号和能带图。
综上所述，本研究成功构建了BFO薄膜光电探测器LNO/BFO/ITO和BFO体光电探测器Ag/BFO/ITO。BFO薄膜光电探测器在很宽的温度范围内实现了器件输出光电流的增加，当温度为130℃时电流增加幅度最大，相比室温增加了178%，输出功率也增加了9.88倍, 这在未来的铁电薄膜太阳能电池中具有巨大的潜力。此外，与BFO体光电探测器相比，BFO薄膜光电探测器具有更大的输出光电流信号，在室温下比BFO体光电探测器高104倍，BFO薄膜的输出功率分别是199倍和497倍在室温和 130 ℃ 下分别高于 BFO 体积。本文论证了BFO薄膜光电探测器比BFO体光电探测器具有更好的输出光电流性能，BFO铁电薄膜具有高温适用性，可以进一步推动铁电材料的应用。（文：SSC）
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