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氧空位诱导的Bi<sub>1-x</sub>Ca<sub>x</sub>FeO<sub>3-δ</sub>纳米颗粒陶瓷光电导增强：实验与理论结合研究

DOI：10.1063/1.5055742 期刊：Journal of Applied Physics 出版年份：2018 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 基于实验与密度泛函研究，我们发现调控氧空位（OV）可大幅增强BiFeO3（BFO）材料的光电导率。通过在BFO结构中Bi3+位点掺杂异价阳离子Ca2+，可提高氧空位浓度。此外，减小颗粒尺寸能增加无序晶界处的氧空位浓度。对放电等离子烧结制备的Bi1-xCaxFeO3-δ陶瓷进行光电导测试显示，当x=0.1时光电导率提升四个数量级。变温Nyquist图表明阻抗随Ca2+浓度增加而明显降低，证实了氧空位的关键作用。经空气退火（AA）处理的纳米晶陶瓷光电导率显著下降2-4个数量级且阻抗大幅升高，说明晶界氧空位主要控制光电流。实际上，AA样品的激活能（0.5-1.4 eV）高于原始样品（AP，0.1-0.5 eV），因此1太阳光照下室温J-V特性显示AP样品的电流密度高出2-4个数量级。密度泛函计算揭示：体相氧空位产生的缺陷态近乎平坦、简并且离散，而表面氧空位产生的缺陷态非简并并与表面悬挂键相互作用形成离域态；高浓度空位会形成缺陷能带，使载流子实现连续跃迁从而显著提升光电导率。这些研究表明，通过调控微观结构特征及成分设计特性，对实现钙钛矿氧化物基太阳能电池的高短路电流至关重要。
作者： Subhajit Nandy，Kulwinder Kaur，Pavana S. V. Mocherla，B. R. K. Nanda，C. Sudakar
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

通过结合实验与理论研究，探究钙掺杂诱导的BiFeO3（BFO）中氧空位（OV）对光电导增强的作用。

研究成果

研究表明，通过钙掺杂调控氧空位并控制微观结构特征，可显著提升BiFeO3陶瓷的光电导率。该发现揭示了体相与表面氧空位对于实现太阳能电池大短路电流的重要作用。

研究不足

该研究受限于BiFeO3热稳定性较窄导致样品中存在次生相，这些相对照光导率的影响尚未完全明确。此外，研究仅聚焦于钙掺杂，未探究其他掺杂元素或更高掺杂浓度的影响。

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