[发明专利]一种高击穿场强、高光电流密度的铌酸钠基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高击穿场强、高光电流密度的铌酸钠基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法，该陶瓷材料的通式为(1‑x)NaNbOsubgt;3/subgt;‑xBa(Nbsubgt;0.5/subgt;Nisubgt;0.5/subgt;)Osubgt;3‑σ/subgt;，式中x代表Ba(Nbsubgt;0.5/subgt;Nisubgt;0.5/subgt;)Osubgt;3‑σ/subgt;占总物质量的摩尔比，x的取值为0.1～0.4。该陶瓷材料通过配料、预烧、球磨、压片、无压密闭烧结等工艺步骤制备而成。本发明制备方法简单、重复性好、成品率高，所得陶瓷材料具有光伏特性、光响应电流高，同时具有高的居里温度、高的极化强度和介电击穿强度，实用性强、易于生产，兼顾光伏特性和陶瓷电容器的储能特性，是一种性能优良的多功能无铅铁电陶瓷，是铁电光伏电池的一种新型备选材料。

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种高击穿场强、高光电流密度的铌酸钠基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

能源是世界各国发展的战略需求，进入21世纪以来，各国的发展依旧高度依赖传统能源，随着各种资源面临耗竭，由石油、煤炭、天然气等传统一次能源过度消耗引发的环境问题也受到关注。太阳能作为一种清洁可再生能源，仍是目前最有可能替代传统能源的一种新型能源，目前太阳能光伏电池主要分为硅基太阳电池，薄膜太阳电池，钙钛矿太阳能电池，铁电薄膜电池，铁电薄膜电池正处于起步阶段，早在1979年，Fridkin等人发现铁电晶体中具有反常光伏效应，但由于铁电体低的光吸收效率和高阻绝缘特性，使得铁电光伏效应的研究受阻。近年来，由于半导体工艺的发展和微加工技术的进步，铁电光伏效应的研究再次引发关注。2009年，T.Choi等在《Science》上报道了BiFeO₃的光伏效应，研究发现与p-n结电流的单向性不同，铁电材料的光生电流与极化方向有着密切的关系。2010年，S.Y.Yang等提出了新的铁电光伏机制：畴壁理论，在薄膜BiFeO₃实验测得的开路电压Voc可达16V。铁电光伏电池与传统有机无机光伏电池最重要的不同源于全新的光生载荷分离机制，铁电材料最显著的特征就是具有自发极化，这些自发极化可以扮演p-n结中内建电场的作用来分离光生空穴和电子，因此相比于传统材料中p-n结的界面光伏效应，铁电光伏电池是一种体光伏效应，具有更强的电子空穴的分离与传输能力。铁电材料的光生电流受材料的极化强度和取向调控，其次由于其特殊的电学性质，与传统p-n结不同，铁电光伏电池的开路电压不受限于自生带隙大小，畴与畴之间产生的光生电动势可以叠加，在薄膜中易获得反常光伏效应，因此，铁电光伏电池的光电转化效率(77％)可以突破Shockley-Queisser理论极限(33％)。

目前，铁电光伏电池的光电转换效率仍处于较低水平(7％)，铁电材料往往表现出高阻绝缘和宽带隙的特点，铁电材料的带隙大都高于3eV，这使得大多数铁电材料对太阳光的吸收集中于紫外光区，而对于可见光区的利用率很低，使得太阳电池的光生电流很小。因此，寻找具有低带隙和高极化强度的新型铁电材料是目前发展铁电太阳电池的关键。无铅铁电材料铌酸钠具有高极化强度和剩余极化强度，高的居里温度和易于调控的带隙，是一种非常有潜力的新型铁电光伏材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种高击穿场强、高光电流密度的铌酸钠基无铅铁电陶瓷材料，以及该陶瓷材料的制备方法。

针对上述目的，本发明陶瓷材料的通式为(1-x)NaNbO₃-xBa(Nb_0.5Ni_0.5)O_3-σ，式中x代表Ba(Nb_0.5Ni_0.5)O_3-σ占总物质量的摩尔比，x的取值为0.1～0.4；该陶瓷材料为钙钛矿结构，带隙值为2.11～2.96eV，居里温度为350～400℃，介电击穿场强240～270kV/cm，极化强度为10.8～22.1μC/cm²，短路电流密度为50～150nA/cm²。