Influência da inserção dos íons Bi3+, La3+, Fe3+ e Mn3+ na distorção da rede cristalina, redução do bandgap e efeito fotovoltaico do KNbO3
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Data de Publicação: | 2017 |
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Resumo: | O sol é uma fonte renovável de energia virtualmente ilimitada e com potencial para substituir os combustíveis fósseis. A conversão de energia solar em eletricidade é possível devido ao efeito fotovoltaico presente em materiais que constituem as chamadas células solares ou células fotovoltaicas. A assimetria devido à polarização elétrica espontânea promove efeito fotovoltaico em materiais ferroelétricos, tornando possível a criação de células fotoferroelétricas para captação e conversão de energia solar em eletricidade. Muito embora materiais ferroelétricos como titanato zirconato de chumbo (PZT) e ferrita de bismuto (BiFeO3) estejam sendo extensamente investigados, pouco se conhece a respeito do potencial de utilização de niobato de potássio (KNbO3) neste tipo de aplicação. Este trabalho investiga de maneira inédita a síntese e caracterização dos compostos (1-x)KNbO3–xABO3, onde A = Bi ou La, B = Fe ou Mn e x = 0; 0,01; 0,02; 0,04; 0,08; 0,16; 0,32, a distorção causada pela inserção dos íons Bi3+ ou La3+ e Fe3+ ou Mn3+ na rede cristalina, na polarização e na redução do bandgap do KNbO3, bem como sua aplicação em dispositivos ferroelétricos fotovoltaicos. Difração de raios-X e espectroscopia Raman revelaram alterações na rede cristalina do KNbO3 com o aumento de x em todas as composições, além da manutenção da ordem de polarização de longo alcance (ferroeletricidade) em todas as amostras sintetizadas. O bandgap das composições mostrou–se continuamente reduzido com aumento de x em todas as composições, alcançando redução máxima de 0,9 eV na composição 0,68KNbO3–0,32BiFeO3. Observou–se clara alteração no comportamento da curva I–V do KNbO3 em comparação com suas soluções sólidas. Particularmente, as amostras 0,68KNbO3–0,32BiFeO3, 0,68KNbO3–0,32LaFeO3, 0,92KNbO3–0,08BiMnO3 e 0,84KNbO3–0,16LaMnO3 apresentaram comportamento diodo esperado de células solares. A amostra 0,92KNbO3–0,08BiMnO3 resultou na melhor combinação de resultados de corrente e tensão, 0,6 μA e 0,16 V, respectivamente. Este resultado é o melhor reportado dentre os compostos semelhantes já estudados. |
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2023-01-26T17:27:50Z2023-01-262023-01-26T17:27:50Z2017-12-01ELICKER, Carolina. Influência da inserção dos íons Bi3+, La3+, Fe3+ e Mn3+ na distorção da rede cristalina, redução do bandgap e efeito fotovoltaico do KNbO3. 2017. 70 f. Tese (Doutorado) - Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. Centro de Desenvolvimento Tecnológico. Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, 2017.http://guaiaca.ufpel.edu.br/handle/prefix/9031O sol é uma fonte renovável de energia virtualmente ilimitada e com potencial para substituir os combustíveis fósseis. A conversão de energia solar em eletricidade é possível devido ao efeito fotovoltaico presente em materiais que constituem as chamadas células solares ou células fotovoltaicas. A assimetria devido à polarização elétrica espontânea promove efeito fotovoltaico em materiais ferroelétricos, tornando possível a criação de células fotoferroelétricas para captação e conversão de energia solar em eletricidade. Muito embora materiais ferroelétricos como titanato zirconato de chumbo (PZT) e ferrita de bismuto (BiFeO3) estejam sendo extensamente investigados, pouco se conhece a respeito do potencial de utilização de niobato de potássio (KNbO3) neste tipo de aplicação. Este trabalho investiga de maneira inédita a síntese e caracterização dos compostos (1-x)KNbO3–xABO3, onde A = Bi ou La, B = Fe ou Mn e x = 0; 0,01; 0,02; 0,04; 0,08; 0,16; 0,32, a distorção causada pela inserção dos íons Bi3+ ou La3+ e Fe3+ ou Mn3+ na rede cristalina, na polarização e na redução do bandgap do KNbO3, bem como sua aplicação em dispositivos ferroelétricos fotovoltaicos. Difração de raios-X e espectroscopia Raman revelaram alterações na rede cristalina do KNbO3 com o aumento de x em todas as composições, além da manutenção da ordem de polarização de longo alcance (ferroeletricidade) em todas as amostras sintetizadas. O bandgap das composições mostrou–se continuamente reduzido com aumento de x em todas as composições, alcançando redução máxima de 0,9 eV na composição 0,68KNbO3–0,32BiFeO3. Observou–se clara alteração no comportamento da curva I–V do KNbO3 em comparação com suas soluções sólidas. Particularmente, as amostras 0,68KNbO3–0,32BiFeO3, 0,68KNbO3–0,32LaFeO3, 0,92KNbO3–0,08BiMnO3 e 0,84KNbO3–0,16LaMnO3 apresentaram comportamento diodo esperado de células solares. A amostra 0,92KNbO3–0,08BiMnO3 resultou na melhor combinação de resultados de corrente e tensão, 0,6 μA e 0,16 V, respectivamente. Este resultado é o melhor reportado dentre os compostos semelhantes já estudados.Sunlight is a renewable source of energy, virtually ilimitated and with potential to replace fossil fuels. The conversion of sunlight in electricity is possible due to photovoltaic effect present in materials used in solar cells, also known as photovoltaic cells. The asymmetry due to spontaneous electrical polarization promotes photovoltaic effect in ferroelectric materials, making possible the creation of photoferroelectric devices for energy harvesting. Although ferroelectric materials such as PZT and BiFeO3 are being extensively investigated, only little research is being done about the potential use of KNbO3 in such usage. This work investigates in an unprecedented way the synthesis and characterization of the compounds (1-x)KNbO3–xABO3, where A = Bi or La, B = Fe or Mn and x = 0; 0.01; 0.02; 0.04; 0.08; 0.16; 0.32; the distortion caused by insertion of the ions Bi3+ or La3+ and Fe3+ or Mn3+ into KNbO3 crystal lattice, its polarization and bandgap reduction, as well as its application in ferroelectric photovoltaic devices. X-rays diffraction and Raman spectroscopy revealed alterations in crystal lattice of KNbO3 when increasing x, as well as the maintenance of long range polar order (i.e. ferroelectricity) in all synthesized compositions. The bandgap of the compositions showed to be continuously narrowed when increasing x for all compositions, reaching maximum reduction of 0.9 eV for 0.68KNbO3–0.32BiFeO3. There was a clear alteration in the behavior of the I–V curve of KNbO3 compared to its solid solutions. Particularly, samples 0.68KNbO3–0.32BiFeO3, 0.68KNbO3–0.32LaFeO3, 0.92KNbO3–0.08BiMnO3 and 0.84KNbO3–0.16LaMnO3 showed diode behavior expected for solar cells. Sample 0.92KNbO3–0.08BiMnO3 resulted in the best combination of current and voltage results, 0.6 μA and 0.16 V, respectively. This result is the best reported among similar compounds already studied.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESporUniversidade Federal de PelotasPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de MateriaisUFPelBrasilCentro de Desenvolvimento TecnológicoCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICANiobato de potássioRedução de bandgapEfeito fotovoltaicoFotoferroelétricosFerroelétricos fotovoltaicosPotassium niobateBandgap narrowingPhotovoltaic effectPhotoferroelectricsFerroelectric photovoltaicsInfluência da inserção dos íons Bi3+, La3+, Fe3+ e Mn3+ na distorção da rede cristalina, redução do bandgap e efeito fotovoltaico do KNbO3Influence of the insertion of Bi3+, La3+, Fe3+ and Mn3+ ions on crystal lattice distortion, bandgap reduction and photovoltaic effect of KNbO3.info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttp://lattes.cnpq.br/2853098230406981Moreira, Mario LucioFeteira, AntonioCava, Sergio da SilvaElicker, Carolinainfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFPel - Guaiacainstname:Universidade Federal de Pelotas (UFPEL)instacron:UFPELTEXTTese_Carolina Elicker.pdf.txtTese_Carolina Elicker.pdf.txtExtracted texttext/plain108720http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/bitstream/prefix/9031/6/Tese_Carolina%20Elicker.pdf.txtece80de89b3fbed788390ffd052af5a3MD56open accessTHUMBNAILTese_Carolina Elicker.pdf.jpgTese_Carolina Elicker.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1238http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/bitstream/prefix/9031/7/Tese_Carolina%20Elicker.pdf.jpgdaca7f53d12b324615e43270aed46f9bMD57open accessORIGINALTese_Carolina Elicker.pdfTese_Carolina Elicker.pdfapplication/pdf3972503http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/bitstream/prefix/9031/1/Tese_Carolina%20Elicker.pdfa364dd73e8ee9b6a97c277f01788b49aMD51open accessCC-LICENSElicense_urllicense_urltext/plain; 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Influência da inserção dos íons Bi3+, La3+, Fe3+ e Mn3+ na distorção da rede cristalina, redução do bandgap e efeito fotovoltaico do KNbO3 Elicker, Carolina CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA Niobato de potássio Redução de bandgap Efeito fotovoltaico Fotoferroelétricos Ferroelétricos fotovoltaicos Potassium niobate Bandgap narrowing Photovoltaic effect Photoferroelectrics Ferroelectric photovoltaics |
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