Desenvolvimento e caracterização de cerâmicas ferroelétricas a base de (K Ba)(Nb Ni)O3 para potenciais aplicações fotovoltaicas

Abstract

Due to the importance of the development of new materials for photovoltaic applications and the growing need for clean and renewable energy sources, the present work aims to synthesize and study a new type of ceramic material for photovoltaic application, allowing a better understanding of the phenomenon in ferroelectric and multiferroic materials and enabling the application of these in energy converting devices. Photoferroelectrics devices shown particular characteristics such as charges separation in the volume of the material, possibility of selection of energy gap values, absorption of wavelengths in the visible band, alternation of the direction of the photocurrent when the polarization direction changes and anomalous photovoltaic effect. Among the photoferroelectrics, we can highlight the growing development and study of multiferroic materials, which besides the characteristic ferroelectricity, present magnetic ordering and low energy gap value, demonstrating great potential for multifunctional applications. In order to carry out the study, potassium niobate ceramics and nickel and barium doped ([KNbO3]1-x[BaNi1/2Nb1/2O3-δ]x).pellets were synthesized with x = 0.1 - 0.3. The crystalline structure and the phases of the ceramic material were characterized. The dopant content, the sintering time and temperature, and the symmetry of the precursor altered the lattice parameters and the volume of the perovskite KBNNO, with cubic symmetry. The results showed dependence of the energy band-gap with lattice parameter. The microstructures of the ceramics were analyzed and dielectric, optical and photovoltaic measurements were carried out. The interpretation of the results allowed understanding the correlations between the structure of the material, the presence of transition metal dopant ion and the dielectric and optical properties with the photovoltaic properties. In addition, the results obtained allowed a greater understanding of the photovoltaic phenomenon in ferroelectric materials based on oxides.

Devido à importância do desenvolvimento de novos materiais para aplicações fotovoltaicas e a crescente necessidade por fontes de energias limpas e renováveis, o presente trabalho visou sintetizar e estudar um novo tipo de material cerâmico para potencial aplicação fotovoltaica, permitindo maior compreensão do fenômeno em materiais ferroelétricos e/ou multiferróicos e possibilitando a aplicação em dispositivos conversores de energia. Os dispositivos ferroelétricos fotovoltaicos apresentam características singulares como separação de cargas no volume do material, possibilidade de manipulação de valores de gap de energia via dopagem, possibilidade de absorção de radiação na faixa do visível, alternância da direção da fotocorrente quando se altera o sentido da polarização e efeito fotovoltaico anômalo. Dentre os possíveis materiais fotoferroelétricos, é possível destacar o crescente desenvolvimento e estudo dos materiais multiferróicos, que além da ferroeletricidade característica, apresentam ordenamento magnético e baixo valor de gap de energia, demonstrando grande potencial para aplicações multifuncionais. Para a realização do presente estudo foram sintetizados pós e pastilhas cerâmicas de niobato de potássio dopados com níquel e bário ([KNbO3]1-x[BaNi1/2Nb1/2O3-δ]x) com x = 0,1 - 0,3. As propriedades estruturais, microestruturais, dielétricas, ópticas e fotovoltaicas foram caracterizadas. O teor de dopante utilizado, o tempo e temperatura de sinterização e a simetria do precursor alteraram os parâmetros de rede e o volume da célula unitária da fase perovskita KBNNO, de simetria cúbica. Os resultados mostraram dependência do espaçamento entre bandas de energia com o parâmetro de rede da perovskita. A interpretação dos resultados permitiu compreender as correlações entre a estrutura do material, a presença de íon dopante de metal de transição e as propriedades dielétricas e ópticas com as propriedades fotovoltaicas. Além disso, os resultados obtidos permitiram uma maior compreensão do fenômeno fotovoltaico em materiais ferroelétricos à base de óxidos.