Photoresponsive polar LuMnO3 and nonpolar LaFeO3 oxides in non-centrosymmetric structures

Abstract

La baixa eficiència de conversió d’energia és un factor limitant important per a algunes aplicacions fotovoltaiques. En aquest context, la conversió fotovoltaica emprant materials ferroelèctrics, està rebent un nou interès. De fet, algunes de les seves propietats son úniques i poden contribuir a resoldre alguns colls d’ampolla actuals en aplicacions relacionades amb la fotoconversió. Per exemple: la possible presència d’un camp elèctric intern (depolaritzant) que s’estén per tot el material i la presència l’anomenat bulk photovoltaic effect (BPE) directament associat al seu caràcter no centrosimètric inherent. Si bé el primer pot conduir a una extracció de càrrega més eficient d’un material fotoresponsiu, el segon pot donar lloc a noves oportunitats, com ara l’assoliment d’una tensió de circuit obert (Voc) més gran que la banda prohibida (gap) dels semiconductors implicats. En els darrers anys, la investigació de BPE en ferroelèctrics s’ha centrat principalment en BiFeO3 amb un amplada de band prohibida de 2,7 eV, la qual cosa implica una capacitat de resposta limitada en el rang visible. Òbviament, els ferroelèctrics amb una banda prohibida més estreta podrien conduir a una millor fotoconversió i el BPE podria introduir beneficis addicionals. Entre aquests materials, una família molt senzilla són les manganites hexagonals h-ReMnO3 (Re = Lu, Y, etc.), que amb un interval de banda més estret (≈ 1,5 eV), podrien ser candidats prometedors. En h-ReMnO3, la BPE encara no s’ha documentat, i aquest és el primer objectiu d’aquesta tesi. La no-centrosimetria pot ser intrínseca en l’absorbent de fotons, com en els fotoferroelèctrics, però també es pot dissenyar mitjançant l’enginyeria de la cèl·lula fotovoltaica. Tot i així, es requereix un material de banda intercalada estreta. El LaFeO3 no polar (banda prohibida ≈ 2,4 eV) és un bon candidat per explorar la seva fotoresponsivitat, per analitzar acuradament el paper de l’alineació de la banda electrònica amb els elèctrodes en la densitat de corrent de curtcircuit (Jsc) i la tensió de circuit obert i, finalment, comparar la seva fotoresponsivitat amb la de materials polars. Tenint en compte aquests objectius, hem estudiat sistemàticament la resposta fotovoltaica de cristalls i pel·lícules primes de h-LuMnO3 amb l’objectiu d’identificar la presència de BPE i avaluar la seva contribució a la fotoresposta global. A continuació, la mesura de les propietats de transport en foscor i sota il·luminació de les heteroestructures que contenen pel·lícules primes de LaFeO3 (centrosimètriques) intercalades entre elèctrodes asimètrics, han proporcionat l’oportunitat d’identificar la connexió entre els perfils de potencial a les interfícies LaFeO3 i les seves propietats fotovoltaiques.

La baja eficiencia es un factor limitante en algunas aplicaciones fotovoltaicas. En este contexto, los materiales ferroeléctricos están recibiendo un nuevo interés. El motivo es que algunas propiedades únicas que muestran pueden contribuir a resolver algunos de los cuellos de botella actuales en las aplicaciones relacionadas con la fotovoltaica. Por ejemplo, la presencia de un campo eléctrico interno (despolarización) que se extiende por todo el material y la presencia de efecto fotovoltaico másico (BPE, por sus siglas en inglés) asociado a su carácter no centrosimétrico inherente pueden ayudar a aumentar la eficiencia en la conversión fotovoltaica. Mientras que el primero puede conducir a una extracción de carga más eficiente, el segundo pueda ayudar a aumentar el voltaje en circuito abierto (Voc) consiguiendo valores mayores que la banda prohibida de los materiales semiconductores involucrados. En los últimos años, la investigación de BPE en ferroeléctricos se ha centrado principalmente en el estudio de BiFeO3 con una banda prohibida de 2.7 eV, lo que implica una capacidad de respuesta limitada en el rango visible. Obviamente, los ferroeléctricos con un ancho de banda más estrecho podrían mostrar mayor eficiencia y BPE puede presentar un beneficio adicional. Entre esos materiales, una familia de materiales potencialmente interesantes son las manganitas hexagonales h-ReMnO3 (Re = Lu, Y, etc.), que al tener una banda prohibida más estrecha (≈ 1.5 eV) absorben una mayor parte del espectro visible. En h-ReMnO3, el BPE aún no había sido estudiado en detalle, y este es el primer objetivo de esta tesis. La no centrosimetría que da lugar al BPE puede ser inherente del material pero también puede generarse mediante la ingeniería de dispositivos adecuados. En este caso el LaFeO3 no polar de banda prohibida ≈ 2,4 eV es un buen candidato y también a centrado parte de las investigaciones de la presente tesis. Con estos objetivos en mente, hemos estudiado sistemáticamente la respuesta fotovoltaica de monocristales y películas delgadas de LuMnO3 en su fase hexagonal con el objetivo de identificar indicios de BPE y evaluar su contribución a su respuesta fotovoltaica. En la presente tesis, las propiedades de transporte bajo iluminación y sin ella de heteroestructuras que contienen películas delgadas de LaFeO3 intercaladas entre electrodos asimétricos han brindado la oportunidad de identificar el papel de las intercaras de LaFeO3 en sus propiedades fotovoltaicas.

The low power conversion efficiency is an important limiting factor for extensive photovoltaic applications. Within this context, ferroelectric photovoltaics using ferroelectric materials, are receiving a new interest. Indeed, some unique properties that they display may contribute solving some current bottlenecks in photoconversion-related applications. For instance, the possible presence of an internal electric field (depoling) extending all over the material and the presence of bulk photovoltaic effect (BPE) associated to their inherent non-centrosymmetric character. While the first may lead to more efficient charge extraction from a photoresponsive material, the second can lead to new opportunities such as the achievement of open circuit voltage (Voc) larger than the bandgap of the involved semiconductors. In recent years, the BPE research in ferroelectrics has been mainly focused on BiFeO3 with a bandgap of 2.7 eV, which implies limited responsivity at the visible range. Obviously, ferroelectrics with narrower gap could lead to improved photoconversion and BPE can introduce additional benefit. Among those materials, a remarkably simple family are the hexagonal manganites h-ReMnO3 (Re = Lu, Y, etc.), that having a narrower bandgap (≈ 1.5 eV), could be promising candidates. In h-ReMnO3, BPE had not been yet documented, and this is the first objective of this thesis. Non-centrosymmetry can be intrinsic to the photo absorber, as in photoferroelectrics, but it can also be engineered by the design of the photovoltaic cell. Still a narrow bandgap material is required. The nonpolar LaFeO3 (bandgap ≈ 2.4 eV) is a good candidate to explore its photoresponsivity, to carefully analyze the role of electronic band alignment with electrodes on the short circuit current density (Jsc) and open circuit voltage and ultimately compare its photoresponsivity to that of polar materials. With these goals in mind, we have systematically studied the photovoltaic response of hexagonal LuMnO3 single crystals and thin films aiming at identifying fingerprints of BPE and evaluate their contribution to the overall photoresponse. Next, the transport properties in dark and under illumination of heterostructures containing LaFeO3 thin films sandwiched between asymmetric electrodes, have provided the opportunity to identify the connection between the built-in potential at interfaces LaFeO3 and their photovoltaic properties.