摘 要

本文采用溶胶-凝胶法在Pt基片与FTO玻璃基片上成功制备出了纯相铁酸铋薄膜，探究了溶胶浓度以及不同类型基片对铁酸铋薄膜的形貌与结构的影响，获得了最佳制备浓度。分别在Pt基片制备了氧化石墨烯铁酸铋复合薄膜与还原石墨烯铁酸铋复合薄膜，并对其进行了结构与形貌分析，探究了其对铁酸铋薄膜铁电性能的影响。在FTO玻璃基片上采用插层复合的的方式，得到了具有不同三明治结构的复合薄膜，对薄膜进行了结构表征以及光伏性能的研究。论文结果对铁酸铋石墨烯复合薄膜在可见光光学器件方面的应用有着重要意义。

本文从铁酸铋薄膜的制备入手，研究并优化了制备工艺，在此基础上通过铁酸铋石墨烯复合，探究石墨烯复合薄膜的铁电性能与光伏性能。主要研究结论如下：

1. 采用溶胶-凝胶法制备纯相薄膜，研究了溶胶配制工艺，不同类型基片对铁酸铋薄膜结构、形貌及性能的影响，获得了溶胶-凝胶法制备铁酸铋薄膜的最佳工艺。溶胶浓度控制为0.20 mol/L，在Pt基片与FTO玻璃基片上均可得到致密度良好的纯相铁酸铋薄膜。

2. 系统研究了石墨烯复合对铁酸铋薄膜结构及性能影响。研究结果表明：铁酸铋薄膜进行石墨烯复合后晶体结构改变，薄膜的表面和断面形貌受到极大破坏，薄膜的铁电性能也更差，但是光伏性能更优。

ABSTRACT

In this paper, pure BFO film was successfully prepared using the sol-gel method in Pt substrate and FTO glass substrate, explores the influence of the sol concentration and different types of substrates on the morphology and structure of ferrite bismuth film, and obtained the best concentration in the preparation.Respectively in the Pt substrate preparation of graphene oxide bismuth ferric compound membrane and reduction graphene bismuth ferric compound thin film, the structure and morphology analysis, to explore its effect on bismuth ferric film iron electric properties.In FTO glass substrate with the method of intercalating composite, obtained different sandwich structure composite film. Study on the structure characterization, and photovoltaic performance.Results of the paper, ferrite bismuth graphene composite film in visible optics applications has important significance.

This article was prepared bismuth ferrite film from start to study and optimize the preparation process, on the basis of graphene by iron bismuth compound, explore graphene composite films ferroelectric properties and photovoltaic performance. The main conclusions are as follows:

1. Sol - gel Preparation of Pure films studied sol preparation process, the impact of different types of substrates bismuth ferrite film structure, morphology and properties of obtained sol - gel method best bismuth ferrite films process. Sol concentration is controlled to 0.20 mol / L, on the Pt substrate and the FTO glass substrate can be obtained good density pure phase bismuth ferrite film.
2. Research on the structure and properties of graphene composite based on bismuth ferrite films. The results show that: bismuth ferrite films crystal structure changed by graphene composite, cross-section and surface morphology of the films was greatly damaged, the ferroelectric properties of the films are even worse, but obtained better photovoltaic performance.

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 3

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 铁酸铋概述及研究进展 2

1.2.1 铁酸铋的结构和特征 2

1.2.2 铁酸铋薄膜的铁电性能 2

1.2.3 铁酸铋薄膜的光伏效应 3

1.2.4 铁酸铋薄膜的制备方法 3

1.2.5 铁酸铋薄膜的应用 4

1.2.6 铁酸铋薄膜存在的问题及研究现状 5

1.3 石墨烯概述 5

1.3.1 石墨烯的结构和性能 5

1.3.2 氧化石墨烯结构与性质 6

1.3.3 氧化石墨烯的还原方法 7

1.4 本论文的研究内容及意义 7

1.4.1 本论文的研究内容 7

1.4.2 本论文的研究意义 7

第2章 铁酸铋石墨烯复合薄膜的制备 8

2.1 实验原料及设备 8

2.1.1 实验药品 8

2.1.2 实验仪器 9

2.2铁酸铋薄膜的制备工艺 9

2.2.1 前驱体溶液的配制 9

2.2.2 基片的清洗 10

2.2.3薄膜的制备 10

2.3 还原石墨烯的制备 10

2.4 结构分析与性能测试 11

第3章溶胶-凝胶法制备铁酸铋薄膜的工艺研究 13

3.1溶胶浓度对铁酸铋薄膜的影响 13

3.2 不同类型基片对铁酸铋薄膜晶格结构影响 15

3.2.1 Pt基片上制备铁酸铋薄膜的晶格结构 16

3.2.2 FTO玻璃基片制备铁酸铋薄膜的晶格结构 17

3.3 本章小结 19

第4章 不同复合方法的复合薄膜的结构与性能测试 20

4.1 氧化石墨烯与还原石墨烯对复合薄膜结构与铁电性能的影响 20

4.1.1 石墨烯复合铁酸铋薄膜拉曼光谱分析 20

4.1.2石墨烯复合对铁酸铋薄膜结构的影响 21

4.1.3 石墨烯复合对铁酸铋薄膜性能的影响 23

4.2 三明治结构的复合薄膜的结构与性能 23

4.2.1 三明治结构的复合薄膜的结构分析 23

4.2.2 三明治结构复合薄膜的性能分析 24

4.3 本章小结 25

第5章 结论 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

• 1. 引言

在《2016年政府工作报告》中，李克强总理对当前环境环境与能源提出以下要求：对煤炭资源高效环保利用，增加天然气供应量，不断完善生物质能、核能、风电、太阳能等新能源的扶持政策，在能源消耗中清洁能源比重不断提高^[1]{敖凯, 2016 #2444}。太阳能作为一种重要的清洁能源，在在破解化石能源困局、转变传统能源发展方式过程中发挥着重要的作用。太阳能与光伏产业发展的基础是高性能光伏材料的性能提升。太阳能光伏电池主要有硅型电池、Ⅲ3-Ⅴ5族化合物、聚合物电池、铜铟镓硒(CIGS)、染料敏化等几种^[2]。现阶段，能够产业化生产的仅有硅型光伏电池，但是在该型电池中，只有能量超过带隙的光才能产生光生电流，因而限制了其发展。这种限制导致了太阳能转化的难题:1小的带隙能吸收更多光子，产生更大电流但电压不足，而大的带隙能产生更大电压却电流有限，大部分太阳光子不能被吸收，因而转换效率似乎已经达到当前概念和技术手段的极限。近年来，铁电材料的光伏效应激发了人们的研究兴趣。相比传统光伏材料，铁电材料所具有的光电转换能力、高输出光生电压、电场调控光伏的特性，使其在铁电光伏电池、光驱动器、光传感器等方面具有广阔的应用前景^[3]。相对于块状铁酸铋材料，铁酸铋薄膜具有更大的光生电流，更快的光响应速度，更高的光电转换效率。

铁电材料的铁电性、铁磁性以及铁弹性的耦合协同作用，促进了铁电材料在信息领域、传感领域、光电转换领域等高技术领域的推广应用^[4]。铁酸铋(1BiFeO₃，简称1BFO)是一种典型的无铅多铁材料，作为至今发现的唯一在室温下同时具有铁电性和铁磁性的材料，其具有独特的磁电耦合特性，被公认为是最有应用前景的多铁性材料^[5]。铁酸铋薄膜是一种窄带隙半导体，在可见光条件下具有优异的光电转换能力，在光伏电池领域具有广阔的应用前景。