一種高極性無鉛鐵電半導體陶瓷及製備方法與流程

2023-04-24 00:04:21

本發明涉及禁帶寬度可調的無鉛鐵電半導體陶瓷材料，具體是一種鈣鈦礦結構的帶隙可調到可見光區的高極性無鉛鐵電半導體陶瓷及其製備方法。
背景技術：
：人類社會在新世紀面臨的最大挑戰是能源問題和環境的汙染問題，太陽能既是一次能源，又是可再生能源，是解決這些挑戰的最好途徑。太陽能電池利用pn結的p結產生光生電子，n結產生光生空穴，在內建電場作用下，形成光生電流。但受制於低的內建電場，其光電轉換效率低。利用鐵電材料的自發極化所形成的極化電場可有效地分離光激發下產生的電子—空穴對，鐵電材料可作為電流源，在光照條件下，鐵電半導體吸收可見光，產生光生載流子，在極化場的作用下分離，並向電池兩極運動，光照下產生的穩定電流。但是，常見的鐵電材料如pzt、plzt、bnt、bt等均為寬帶隙半導體(eg>3ev)，只能吸收紫外線，且它們的導電性較低，產生的光生電流很小，光電轉換效率低。為此，必須突破制約鐵電材料光電轉換效率的瓶頸。為了提高鐵電材料的光電轉換效率，必須開發同時具有窄帶隙、高極性的鐵電半導體材料。技術實現要素：本發明的目的是正對現有技術的不足，而提供一種高極性無鉛鐵電半導體陶瓷及製備方法。這種陶瓷材料可有效吸收太陽光能量，同時保持高內建電場，能獲得光生電子和空穴分離及收集，具有優良的鐵電性能pmax=15-32μc/cm2，窄帶隙eg=2.0-2.9ev，綠色環保。這種方法的優點是製備工藝簡單、成本低。實現本發明目的的技術方案是：一種高極性無鉛鐵電半導體陶瓷，組成通式為：(1-x)bi0.5na0.5to3-xba0.9sr0.1bio3+0.05zno；其中x表示摩爾分數，0.01≤x≤0.5。上述高極性無鉛鐵電半導體陶瓷的製備方法，該方法是球磨混合時添加分散劑以及等靜壓與微波燒結結合，具體包括如下步驟：(1)以分析純baco3、srco3、bi2o3、na2co3、zno和tio2為原料，按照化學計量式(1-x)bi0.5na0.5to3-xba0.9sr0.1bio3+0.05zno配料；以無水乙醇為介質，加入0.1%摩爾分數低分子糖分散劑，球磨12小時，乾燥，再在高鋁坩堝中於860-910℃保溫2小時預合成主晶相；(2)預合成的主晶相以無水乙醇為介質，球磨12小時，乾燥，加入5%的pva造粒，150mpa等靜壓成型；(3)在1010-1120℃微波燒結20分鐘，燒結後測量吸收光譜；(4)燒結的樣品加工成兩面光滑，直徑12.0mm，厚度0.5mm的薄片，兩面鍍銀電極即成，鍍銀電極可測量鐵電性能。這種方法通過zno的輔助燒結與能級收斂調控協同作用，球磨時添加分散劑，促進均勻化成分、組織與結構，結合ba0.9sr0.1bio3組成中b位bi的變價，在b位出現相同元素的不同價態bi3+/bi5+，出現特殊的同素異價b位離子有序態，產生電子跳躍導電機制，跳躍電子是局域束縛狀態，通過成分與工藝，調節束縛電子的變程跳躍區域，產生類似極化子的導電與極化雙重作用，同時保持鐵電高極性。這種方法製備所得產品具有優良的鐵電性能pmax=15-32μc/cm2，窄帶隙eg=2.0-2.9ev，綠色環保。材料可有效吸收太陽光能量，同時保持高內建電場，能獲得光生電子和空穴分離及收集，具有優良的鐵電性能pmax=15-32μc/cm2，窄帶隙eg=2.0-2.9ev，綠色環保。這種方法的優點是製備工藝簡單、成本低。具體實施方式下面結合具體實施例對本
發明內容作進一步的闡述，但不是對本發明的限定。實施例1：製備成分為：0.95bi0.5na0.5to3-0.05ba0.9sr0.1bio3+0.05zno的高極性無鉛半導體鐵電陶瓷。製備方法包括如下步驟：(1)以分析純baco3、srco3、bi2o3、na2co3、zno和tio2為原料，按照化學計量式0.95bi0.5na0.5to3-0.05ba0.9sr0.1bio3+0.05zno配料；以無水乙醇為介質，加入0.1%（摩爾分數）低分子糖分散劑，球磨12小時，乾燥，再在高鋁坩堝中於880℃保溫2小時預合成主晶相；(2)預合成的主晶相以無水乙醇為介質，球磨12小時，乾燥，加入5%的pva造粒，150mpa等靜壓成型；(3)在1060℃微波燒結20分鐘，燒結後可測量吸收光譜；(4)燒結的樣品加工成兩面光滑，直徑12.0mm，厚度0.5mm的薄片，兩面鍍銀電極即成，燒結的樣品加工成兩面光滑，直徑12.0mm，厚度0.5mm的薄片，兩面鍍銀電極即成，鍍銀電極可測量鐵電性能。性能測量結果如表1所示。實施例2:製備成分為：0.9bi0.5na0.5to3-0.1ba0.9sr0.1bio3+0.05zno的高極性無鉛鐵電半導體陶瓷。製備方法包括如下步驟：(1)以分析純baco3、srco3、bi2o3、na2co3、zno和tio2為原料，按照化學計量式0.9bi0.5na0.5to3-0.1ba0.9sr0.1bio3+0.05zno配料；以無水乙醇為介質，加入0.1%（摩爾分數）低分子糖分散劑，球磨12小時，乾燥，再在高鋁坩堝中於900℃保溫2小時預合成主晶相；(2)預合成的主晶相以無水乙醇為介質，球磨12小時，乾燥，加入5%的pva造粒，150mpa等靜壓成型；(3)在1090℃微波燒結20分鐘，燒結後可測量吸收光譜；(4)燒結的樣品加工成兩面光滑，直徑12.0mm，厚度0.5mm的薄片，兩面鍍銀電極即成，鍍銀電極可測量鐵電性能。性能測量結果如表1所示。實施例3：製備成分為：0.8bi0.5na0.5to3-0.2ba0.9sr0.1bio3+0.05zno的高極性無鉛半導體鐵電陶瓷。製備方法包括如下步驟：(1)以分析純baco3、srco3、bi2o3、na2co3、zno和tio2為原料，按照化學計量式0.8bi0.5na0.5to3-0.2ba0.9sr0.1bio3+0.05zno配料；以無水乙醇為介質，加入0.1%（摩爾分數）低分子糖分散劑，球磨12小時，乾燥，再在高鋁坩堝中於910℃保溫2小時預合成主晶相；(2)預合成的主晶相以無水乙醇為介質，球磨12小時，乾燥，加入5%的pva造粒，150mpa等靜壓成型；(3)在1100℃微波燒結20分鐘，燒結後可測量吸收光譜；(4)燒結的樣品加工成兩面光滑，直徑12.0mm，厚度0.5mm的薄片，兩面鍍銀電極即成，鍍銀電極可測量鐵電性能。性能測量結果如表1所示；實施例4：製備成分為：0.7bi0.5na0.5to3-0.3ba0.9sr0.1bio3+0.05zno的高極性無鉛半導體鐵電陶瓷。製備方法包括如下步驟：(1)以分析純baco3、srco3、bi2o3、na2co3、zno和tio2為原料，按照化學計量式0.7bi0.5na0.5to3-0.3ba0.9sr0.1bio3+0.05zno配料；以無水乙醇為介質，加入0.1%（摩爾分數）低分子糖分散劑，球磨12小時，乾燥，再在高鋁坩堝中於910℃保溫2小時預合成主晶相；(2)預合成的主晶相以無水乙醇為介質，球磨12小時，乾燥，加入5%的pva造粒，150mpa等靜壓成型；(3)在1120℃微波燒結20分鐘，燒結後可測量吸收光譜；(4)燒結的樣品加工成兩面光滑，直徑12.0mm，厚度0.5mm的薄片，兩面鍍銀電極即成，鍍銀電極可測量鐵電性能。性能測量結果如表1所示；實施例5：製備成分為：0.78bi0.5na0.5to3-0.22ba0.9sr0.1bio3+0.05zno的高極性無鉛半導體鐵電陶瓷。製備方法包括如下步驟：(1)以分析純baco3、srco3、bi2o3、na2co3、zno和tio2為原料，按照化學計量式0.78bi0.5na0.5to3-0.22ba0.9sr0.1bio3+0.05zno配料；以無水乙醇為介質，加入0.1%（摩爾分數）低分子糖分散劑，球磨12小時，乾燥，再在高鋁坩堝中於910℃保溫2小時預合成主晶相；(2)預合成的主晶相以無水乙醇為介質，球磨12小時，乾燥，加入5%的pva造粒，150mpa等靜壓成型；(3)在1120℃微波燒結20分鐘，燒結後可測量吸收光譜；(4)燒結的樣品加工成兩面光滑，直徑12.0mm，厚度0.5mm的薄片，兩面鍍銀電極即成，鍍銀電極可測量鐵電性能。性能測量結果如表1所示；表1(1-x)bi0.5na0.5to3-xba0.9sr0.1bio3+0.05zno陶瓷的帶隙eg與鐵電最大極性pmax成分x帶隙eg(ev)最大極性pmax(μc/cm2)最大極性電場e(kv/cm)實施例0.052.9326010.102.6305220.202.3205030.222.2185050.32.016494當前第1頁12