Enhanced Photovoltaic Performances of La-Doped Bismuth Ferrite/Zinc Oxide Heterojunction by Coupling Piezo-Phototronic Effect and Ferroelectricity

材料科学 铋铁氧体 铁电性 异质结 兴奋剂 光伏系统 光电子学 铁酸锌 铁氧体(磁铁) 联轴节(管道) 电介质 多铁性 复合材料 电气工程 冶金 工程类
作者
Yuanzheng Zhang,Liya Yang,Yaju Zhang,Zhenyu Ding,Mengjun Wu,Yan Zhou,Chunli Diao,Haiwu Zheng,Xingfu Wang,Zhong Lin Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (8): 10723-10732 被引量:88
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c05398
摘要

Ferroelectric materials have drawn widespread attention due to their switchable spontaneous polarization and anomalous photovoltaic effect. The coupling between ferroelectricity and the piezo-phototronic effect may lead to the design of distinctive photoelectric devices with multifunctional features. Here, we report an enhancement of the photovoltaic performances in the ferroelectric p-type La-doped bismuth ferrite film (BLFO)/n-type zinc oxide (ZnO) nanowire array heterojunction by rationally coupling the strain-induced piezoelectricity in ZnO nanowires and the ferroelectricity in BLFO. Under a compressive strain of -2.3% and a 10 V upward poling of the BLFO, the open-circuit voltage (VOC) and short-circuit current density (JSC) of the device increase by 8.4% and 54.7%, respectively. Meanwhile, the rise (/decay) time is modulated from 153.7 (/108.8) to 61.28 (/74.86) ms. Systematical band diagram analysis reveals that the promotion of photogenerated carriers and boost of the photovoltaic performances of the device can be attributed to the modulated carrier transport behaviors at the BLFO/ZnO interface and the superposed driving forces arising from the adding up of the piezoelectric potential and ferroelectric polarization. In addition, COMSOL simulation results of piezopotential distribution in ZnO nanowire arrays and the energy band structure change of the heterojunction further confirm the mechanisms. This work not only presents an approach to design high-performance ferroelectric photovoltaic devices but also further broadens the research scope of piezo-phototronics.
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