Conventional silicon-based solar cells generate photo-induced electron-hole pairs which are separated through an electric field created at the boundary of p-n junction. But, a ferroelectric material shows different photovoltaic mechanism. Ferroelectric domain walls play an important role in ferroelectric photovoltaic effect; it has been found that open circuit voltage can be increased without a limitation of band gap in proportion to the number of domain walls between two coplanar electrodes. BiFeO3(BFO) is a material that has both ferroelectric and anti-ferromagnetic properties. It is G-type antiferromagnet and has a ferroelectric polarization along <111>. When BFO is grown on DyScO3(DSO)(110)o substrate, two-variant stripe ferroelectric domain structure with highly-ordered 71° domain walls can be formed as a result of different in-plane lattice parameters of the substrate. We measured photocurrent of the BFO thin film through coplanar electrodes deposited on the top of the film. We report that the photo-induced short circuit current has dependence of light polarization. Whenever the light polarization is perpendicular to the stripe domain walls, the photocurrent can be maximized. The anisotropic photocurrent phenomenon suggests that the well-aligned BFO domain walls can be potentially used for light polarization detector.
일반적인 실리콘 기반 태양전지는 에너지 밴드 차이에 해당하는 빛을 흡수하여 전자와 정공이 생성된 후 PN 접합으로 생긴 공핍 영역의 전기장에 의해 분리되어 전류를 생성하게 된다. 이런 경우 개방 전압의 크기는 화학 퍼텐셜 차이보다 더 큰 값을 가질 수 없다. BiFeO3(BFO)와 같은 강유전체 물질에서는 다른 방법으로 광기전력 효과가 나타나게 된다. 강유전 도메인이 광기전력 효과에 중요한 역할을 하는데 개방 전압은 에너지 밴드 차이에 관계없이 전극 사이의 강유전 도메인 개수에 비례해서 커지게 된다.
비스무트 철산화물은 비스무트와 철, 산소로 구성된 전이금속산화물로서 화학식은 BiFeO3이며 페로브스카이트(perovoskite)의 결정구조를 갖는다. 비스무트 철산화물 단결정은 능면체 (rhom-bohedral)구조를 갖고 R3c의 공간군(space group)을 가지며 격자상수는 3.96Å이다. BFO를 사방정계(orthorhombic) 구조를 갖는DyScO3(110) 기판에 성장시키면 기판의 평면 격자 상수의 차이로 한쪽 방향으로 잘 정렬된 줄무늬 형태의 71˚도메인 벽을 얻을 수 있다. BFO박막 위에 평행전극을 증착하여 광전류를 측정하였다. 빛의 편광 방향에 따라 광전류가 변하는 것을 관찰하였다. 도메인 벽 방향과 빛의 편광 방향이 수직으로 정렬되었을 때 광전류는 최대값을 갖는다는것을 확인하였다. 빛의 편광 방향에 따른 광전류의 이방성은 빛의 편광 감지기와 같은 광소자에 응용될 수 있는 가능성을 제시하였다.
