Вісник Львівського університету. Серія фізична 61 (2024) с. 29-41
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.61.2024.29

Оптимізація параметрів фотовольтаїчного ефекту у сегнетоелектрику Pb[(Mg1/3Nb2/3)0,70Ti0,30]O3

В. Капустяник, Ю. Еліяшевський, У. Мостовой, Ю. Чорній, С. Семак

Відсутність центра симетрії в кристалах є ключовим фактором появи фотовольтаїчного (ФВ) ефекту в сегнетоелектриках, що робить ці матеріали перспективними кандидатами для створення сонячних елементів, здатних подолати обмеження Шоклі–Квезера для напівпровідників. Однак цей напрям все ще вимагає додаткових досліджень для розробки надійних способів оптимізації характеристик фотовольтаїчного ефекту. У цій роботі продемонстровано, що завдяки відпалу зразка при температурі, вищій за точку Кюрі, можна компенсувати асиметрію ФВ ефекту відносно знака попередньої поляризації зразка. При цьому ФВ відгук сегнетоелектричного кристала зростає більш, ніж на 20 \% завдяки зростанню густини доменних стінок. Продемонстровано, що коректний вибір орієнтації доменних стінок може бути використаний для підвищення ефективності фотовольтаїчного ефекту. Отримані результати засвідчують можливість керування основними параметрами ФВ ефекту в сегнетоелектриках, що відкриває шлях до ефективнішого використання сонячної енергії у потенційних сонячних елементах на їхній основі.

Текст статті (pdf)

Список посилань
  1. Huang J. Understanding the physical properties of hybrid perovskites for photovoltaic applications/ J. Huang, Y. Yuan, Y. Shao, Y. Yan // Nat. Rev. Mater. -- 2017. -- Vol. 2. -- Art. 17042. doi: 10.1038/natrevmats.2017.42.
  2. Shockley W. Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells / W. Shockley, H. J. Queisser // J. Appl. Phys. -- 1961. -- Vol. 32. -- P. 510–519. doi: 10.1063/1.1736034.
  3. Glass A. M. High-voltage bulk photovoltaic effect and the photorefractive process in LiNbO3 / A. M. Glass, D. von der Linde, T. J. Negran // Appl. Phys. Lett. -- 1974. -- Vol. 25. -- P. 233--235. doi: 10.1063/1.1655453.
  4. Choi T. Switchable ferroelectric diode and photovoltaic effect in BiFeO3 / T. Choi, S. Lee, Y. J. Choi, V. Kiryukhin S.-W. Cheong // Science. -- 2009. -- Vol. 324. -- P. 63--66. doi: 10.1126/science.1168636.
  5. Nechache R. Bandgap tuning of multiferroic oxide solar cells / R. Nechache, C. Harnagea, S. Li, et al. // Nat. Photonics. -- 2015. -- Vol. 9. -- P. 61--67. doi: 10.1038/nphoton.2014.255.
  6. Yang M. Square-Centimeter Solution-Processed Planar CH3NH3PbI3 Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 15\% / M. Yang, Y. Zhou, Y. Zeng, et al. // Adv. Mater. -- 2015. -- Vol. 27. -- P. 6363--6370. doi: 10.1002/adma.201502586.
  7. Zheng X. Managing grains and interfaces via ligand anchoring enables 22.3\%-efficiency inverted perovskite solar cells / X. Zheng, Y. Hou, C. Bao, et al. // Nat. Energy. -- 2020. -- Vol. 5. -- P. 131--140. doi: 10.1038/s41560-019-0538-4.
  8. Li L. Flexible all-perovskite tandem solar cells approaching 25\% efficiency with molecule-bridged hole-selective contact / L. Li, Y. Wang, X. Wang, et al. // Nat. Energy. -- 2022. -- Vol. 7. -- P. 708--717. doi: 10.1038/s41560-022-01045-2.
  9. Yuan Y. B. Arising applications of ferroelectric materials in photovoltaic devices / Y.B. Yuan, Z.G. Xiao, B. Yang, J.S. Huang // J. Mater. Chem. -- 2014. -- Vol. 2. -- P. 6027--6041. doi: 10.1039/C3TA14188H.
  10. Jalaja M. A. Ferroelectrics and Multiferroics for Next Generation Photovoltaics / M.A. Jalaja, S. Dutta // Adv. Mater. Lett. -- 2015. -- Vol. 6. -- P. 568--584. doi: 10.5185/amlett.2015.5878.
  11. Semak S. On the photovoltaic effect asymmetry in ferroelectrics / S. Semak, V. Kapustianyk, Yu. Eliyashevskyy, et. al. // Journ. of Phys.: Condens. Matter. -- 2023. -- Vol. 35. -- Art. 094001. doi: 10.1088/1361-648X/aca579.
  12. Guo Y. Effect of Composition and Poling Field on the Properties and Ferroelectric Phase-Stability of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 Crystals / Y. Guo, H. Luo, K. Chen, H. Xu, X. Zhang, Z. Yin // J. of Appl. Phys. -- 2002. -- Vol. 92. -- P. 6134--6138. doi: 10.1063/1.1516256.
  13. Ming Y. Orientation dependence of polarization-modulated photovoltaic effect of relaxor-based Pb(In1/2Nb1/2)O3–Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 single crystals / Y. Ming,Y. Cai, Q. Menga, et. al. // J. of Alloys and Comp. -- 2022. -- Vol. 902. -- Art. 163777. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.163777.
  14. Yang S. Y. Above-bandgap voltages from ferroelectric photovoltaic devices / S. Y. Yang, J. Seidel, S. J. Byrnes, et. al. // Nat. Nanotechnol. -- 2010. -- Vol. 5. -- P. 143--147. doi: 10.1038/nnano.2009.451.
  15. Seidel J. Efficient Photovoltaic Current Generation at Ferroelectric Domain Walls / J. Seidel, D. Fu, S.Y. Yang, et. al. // Phys. Rev. Lett. -- 2011. -- Vol. 107. -- Art. 126805. doi: 10.1103/PhysRevLett.107.126805.
  16. Bian J. Mechanical-Induced Polarization Switching in Relaxor Ferroelectric Single Crystals / J. Bian, Y. Wang, R. Zhu, et. al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. -- 2019. -- Vol. 11. -- P. 40758--40768. doi: 10.1021/acsami.9b12301.
  17. Zhao E. In situ observation of two-step 90° domain reversal with different characteristics in PMN–38\%PT single crystal / E. Zhao, Z. Fang, M. Cheng, et.al. // J. Mater. Sci. -- 2020. -- Vol. 55. -- P. 8041--8049. doi: 10.1007/s10853-020-04580-z.