基於極性/非極性異質結的光伏器件及其製備方法

2023-06-06 02:44:46

專利名稱：基於極性/非極性異質結的光伏器件及其製備方法
技術領域：
本發明屬於光電器件技術領域，特別涉及一類具有光伏效應的異質結器件及其製備方法，具體來說，是一類基於極性層/非極性層異質結構的光伏器件及其製備方法。
背景技術：
光伏效應因其廣泛的應用價值引起了人們的高度研究熱情，它在光電池、光二極體和光探測器件方面都有極大的作用和前景。在傳統的光伏器件中，其內建電場基本都來源於半導體p-n結的耗盡層，尺寸在微米級別[請參見文獻Green, M.A.SolarCells:Operating Principles, Technology, and System Applications(Prentice Hall,Englewood Cliffs，1982)]。隨著目前器件的高集成化和高密度化，人們需要尋求更加微小的材料來實現光伏效應，而常規P-n結光伏器件已顯得不盡人意。若能夠探究到製作更小光伏材料的方法，無疑會帶來眾多應用領域的巨大進步，目前世界上已有一些納米光伏器件應運而生[請參見文獻 Tian, B.et al.Coaxial silicon nanowires as solarcells and nanoelectronic power sources.Nature449,885-889 (2007)和 Tang, J., Huo,Z., Brittman, S., Gao, H.&Yang, P.Solution-processed core-shell nanowires forefficient photovoltaic ceels.Nat.Nanotechnol.6, 568-572 (2011)]。除了尺寸上的問題以外，現今主流的光伏結構以p-n結為基礎,製作出的大部分材料其內建電場都不十分強，光伏效應不盡突出。近期研究表明，過渡金屬氧化物異質結因其較強及連續的相互作用，在納米尺度能夠顯現出一些非常奇特的效應，特別是極化可控的氧化物異質結構材料為製作納米尺度的光伏器件提供了一種新的思路。發明人發現在幾個晶胞尺度的極性層/非極性層異質結構中，極性材料能提供內建電場，此電場較強且穩定。當外界有光照時，這種材料對光子吸收，產生光生載流子，它們在極性材料的內建電場作用下分離開來:空穴向電勢低的方向移動，電子向電勢高的方向移動。在材料表面和界面製作表面電極和底電極可以收集這些載流子，從而觀察到光伏效應。極性層/非極性層異質結構器件構造和製備簡單，尺寸能做到僅幾個納米大小，其光伏效應也易得，具有令人矚目的前景。而且在這種結構中，一些極性和非極性材料的組合，會由於極性不連續而引起電子重構，在界面處會產生二維電子氣能夠作為天然的底電極；或某些非極性材料自身可導電，以供方便地製作底電極來觀察到光伏效應。

發明內容
有鑑於此，本發明提供一類基於極性/非極性異質結的光伏器件及其製備方法。該器件以非極性材料為基片，在其上沉積極性材料薄膜，能顯示出明顯的光伏效應。根據本發明的一方面，提出一種基於極性/非極性異質結的光伏器件，該光伏器件包括非極性層和極性層，其中:所述非極性層為使用非極性材料的基片；
所述極性層為沉積在所述非極性層上的極性材料薄膜。根據本發明的另一方面，提出一種基於極性/非極性異質結的光伏器件的製備方法，該方法包括以下步驟:步驟1，將晶面方向001的鈦酸鍶基片依次放入異丙醇和去離子水中進行超聲清洗處理；步驟2，用氫氟酸緩衝溶液腐蝕清洗後的鈦酸鍶基片一段時間後，得到鈦氧層單終止的晶面方向001的鈦酸鍶基片；之後在一個大氣壓的氧氛圍中，將腐蝕完成後的鈦氧層單終止的鈦酸鍶基片加熱至900 1000°C退火，退火時間為2小時；步驟3，將鋁酸鑭靶和處理後的鈦酸鍶基片放入脈衝雷射沉積設備的真空鍍膜室內，用機械泵和分子泵將真空鍍膜室內的背底真空抽至高真空狀態後，通入高純氧使得氣壓保持在lX10_2pa左右，加熱鈦酸鍶基片至600 700°C，再用KrF準分子雷射器產生的雷射脈衝燒蝕鋁酸鑭靶，進行鋁酸鑭薄膜的沉積；步驟4，沉積結束後維持在沉積溫度和氧分壓下退火，退火結束後，等待樣品自然冷卻到室溫，即得到基於極性/非極性異質結的光伏器件。本發明的優勢在於:1、基於極性/非極性異質結的光伏器件的結構簡單，製備容易；2、僅僅在非極性基片上沉積幾個晶胞層的極性材料即可實現可觀的光伏效應。


圖1為本發明基於極性/非極性異質結的光伏器件的結構示意圖；圖2為本發明基於極性/非極性異質結的光伏器件的內建電場產生原理示意圖；圖3為根據本發明一實施例使用的鈦酸鍶晶體結構示意圖，並標明001晶面方向；圖4為根據本發明一實施例製備的鋁酸鑭/鈦酸鍶異質結構器件的內建電場使電子空穴分離的示意圖；圖5為根據本發明一實施例製備的鋁酸鑭/鈦酸鍶異質結構器件的生長過程反射高能電子衍射振蕩曲線；圖6為根據本發明一實施例製備的鋁酸鑭/鈦酸鍶異質結構器件的原子力顯微鏡圖；圖7為根據本發明一實施例鋁酸鑭/鈦酸鍶異質結構器件的光伏性能測試示意圖；圖8為根據本發明一實施例製備的鋁酸鑭/鈦酸鍶異質結構器件光照下的室溫光伏效應圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。圖1為本發明基於極性/非極性異質結的光伏器件的結構示意圖，如圖1所示，根據本發明的一方面，提供一種基於極性/非極性異質結的光伏器件，該光伏器件包括非極性層和極性層，其中:所述非極性層為使用非極性材料的基片；所述極性層為沉積在所述非極性層上的極性材料薄膜。所述非極性材料比如可以為鈦氧層單終止的鈦酸鍶，所述極性材料比如可以為鋁酸鑭或鐵酸鉍，所述極性材料在特定方向上視為原子層堆垛結構時，這些原子層交替地帶有正的和負的靜電荷。對於所述器件，所述極性材料能夠提供內建電場，此電場較強且穩定。當外界有光照時，所述器件吸收光子產生光生載流子，它們在極性材料的內建電場作用下分離開來:空穴向電勢低的方向移動，電子向電勢高的方向移動，從而顯不出明顯的光伏效應。在所述器件表面和兩種材料的界面製作表面電極和底電極可以收集這些載流子，即能觀察到光伏效應。並且在上述這種結構中，極性和非極性材料相組合，會由於極性不連續而引起電子重構，從而在兩種材料的界面處產生二維電子氣，而該二維電子氣可直接作為天然的底電極；或者某些非極性材料由於自身可導電，可供方便地製作底電極來觀察光伏效應。如圖2所示，所述內建電場的產生原理為:將極性材料沉積在非極性材料上後，由於非極性材料為電中性，而極性材料因其自身結構，晶胞中會出現正負交替的靜電荷層，從而使得材料中出現周期性的有電場和無電場層，且這些電場方向一致，這樣就形成了內建電場。在本發明的一實施例中，以鈦氧層單終止的晶面方向001的鈦酸鍶為基片，晶面方向如圖3所示，在其上沉積鋁酸鑭，從而得到鋁酸鑭/鈦酸鍶異質結構的光伏器件，該器件由鋁酸鑭薄膜層提供內建電場，當外界有光照時，內建電場能夠使光激發的電子和空穴分離開來，從而表現出光伏效應，如圖4所示，且由於極性不連續，會引起電子重構在界面產生二維電子氣，可作為天然的底電極。在該實施例中，所述鋁酸鑭薄膜沿鈦酸鍶的晶面方向001生長，為交替的鑭氧層(LaO) +層和鋁氧層(A102)_層堆垛的結構，所述鋁酸鑭薄膜厚度為5個晶胞層，對應於1.9納米。根據本發明的另一方面，提供一種基於極性/非極性異質結的光伏器件的製備方法，該方法包括以下步驟:步驟1，將晶面方向001的鈦酸鍶基片依次放入異丙醇和去離子水中進行超聲清洗處理，在每一種清洗液中可清洗2至3遍；步驟2，用氫氟酸緩衝溶液腐蝕清洗後的鈦酸鍶基片一段時間後，比如10分鐘左右，得到鈦氧層單終止的晶面方向001的鈦酸鍶基片；之後在一個大氣壓的氧氛圍中，將腐蝕完成後的鈦氧層單終止的鈦酸鍶基片加熱至900 1000°C退火(最優為950°C )，退火時間為2小時；其中，所述氫氟酸緩衝溶液由氟化氫、氟化氨和去離子水混合配成，製備出的氫氟酸緩衝溶液PH值約為5.4。步驟3，將鋁酸鑭靶和處理後的鈦酸鍶基片放入脈衝雷射沉積(PLD)設備的真空鍍膜室內，用機械泵和分子泵將真空鍍膜室內的背底真空抽至高真空狀態(比如5X 10_6Pa)後，通入高純氧使得氣壓保持在lX10_2Pa左右，加熱鈦酸鍶基片至600 700 V (最優為 650°C )，再用 KrF 準分子雷射器(Coherent COMPEX Pro201, 248nm, 20nsFffHM)產生的雷射脈衝燒蝕鋁酸鑭靶，進行鋁酸鑭薄膜的沉積，沉積過程中可用反射高能電子衍射儀(RHEED)進行監控，其中，所述鋁酸鑭薄膜的厚度為1.9nm，靶基距為60mm，雷射束在靶材上的束斑直徑約為1.5mm，雷射重複頻率控制在1Hz。步驟4，沉積結束後維持在沉積溫度和氧分壓下退火，退火時間為I小時；退火結束後，等待樣品自然冷卻到室溫，即得到具有光伏效應的鋁酸鑭/鈦酸鍶異質結器件。製得鋁酸鑭/鈦酸鍶這種基於極性/非極性異質結的光伏器件後，用點焊機將鋁線由薄膜表面點入界面與二維電子氣接通，就形成底電極；在薄膜表面通過蒸金製作表面電極，如圖6所示，從而就完成了電極的製備。所述鋁酸鑭/鈦酸鍶異質結構器件樣品形貌可由原子力顯微鏡(AFM)觀察，並以Keithley6220為電流源，Keithley6514為電壓表測量其光伏效應，光源由中科金源185nm低壓汞燈提供。鋁酸鑭薄膜生長過程的RHEED振蕩曲線如圖5所示，圖5中，5個振蕩周期反映出在鈦酸鍶基片上沉積了 5個晶胞層的鋁酸鑭薄膜；薄膜表面在AFM下觀察到的表面形貌如圖6所示，從圖6中能夠看到明顯的「臺階」;所述器件的光伏性能測試原理圖如圖7所示，測試結果如圖8所示:在室溫，29毫瓦/平方釐米紫外光照射下，器件的開路光電壓為0.32V，短路光電流為174nA，填充因子為41%。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於極性/非極性異質結的光伏器件，其特徵在於，該光伏器件包括非極性層和極性層，其中: 所述非極性層為使用非極性材料的基片； 所述極性層為沉積在所述非極性層上的極性材料薄膜。
2.根據權利要求1所述的光伏器件，其特徵在於，所述非極性材料為鈦氧層單終止的鈦酸銀。
3.根據權利要求1所述的光伏器件，其特徵在於，所述極性材料為鋁酸鑭或鐵酸鉍。
4.根據權利要求1所述的光伏器件，其特徵在於，所述極性材料在特定方向上視為原子層堆垛結構時，這些原子層交替地帶有正的和負的靜電荷。
5.根據權利要求1所述的光伏器件，其特徵在於，所述極性材料提供較強且穩定的內建電場，當外界有光照時，所述光伏器件吸收光子產生光生載流子，它們在極性材料的內建電場作用下分離開來:空穴向電勢低的方向移動，電子向電勢高的方向移動，從而顯不出明顯的光伏效應。
6.根據權利要求5所述的光伏器件，其特徵在於，在所述光伏器件表面和兩種材料的界面製作表面電極和底電極可以收集這些載流子，從而觀察到光伏效應。
7.根據權利要求6所述的光伏器件，其特徵在於，所述極性材料和非極性材料相組合，由於極性不連續而引起電子重構，從而在兩種材料的界面處產生二維電子氣，而該二維電子氣可直接作為天然的底電極。
8.根據權利要求5所述的光伏器件，其特徵在於，將極性材料沉積在非極性材料上後，由於非極性材料為電中性，而極性材料因其自身結構，晶胞中會出現正負交替的靜電荷層，從而使得極性材料中出現周期性的有電場和無電場層，且這些電場方向一致，從而形成所述內建電場。
9.一種基於極性/非極性異質結的光伏器件的製備方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟: 步驟1，將晶面方向001的鈦酸鍶基片依次放入異丙醇和去離子水中進行超聲清洗處理； 步驟2，用氫氟酸緩衝溶液腐蝕清洗後的鈦酸鍶基片一段時間後，得到鈦氧層單終止的晶面方向001的鈦酸鍶基片；之後在一個大氣壓的氧氛圍中，將腐蝕完成後的鈦氧層單終止的鈦酸鍶基片加熱至900 1000°C退火，退火時間為2小時； 步驟3，將鋁酸鑭靶和處理後的鈦酸鍶基片放入脈衝雷射沉積設備的真空鍍膜室內，用機械泵和分子泵將真空鍍膜室內的背底真空抽至高真空狀態後，通入高純氧使得氣壓保持在I X 10_2pa左右，加熱鈦酸鍶基片至600 700°C，再用KrF準分子雷射器產生的雷射脈衝燒蝕鋁酸鑭靶，進行鋁酸鑭薄膜的沉積； 步驟4，沉積結束後維持在沉積溫度和氧分壓下退火，退火結束後，等待樣品自然冷卻到室溫，即得到基於極性/非極性異質結的光伏器件。
10.根據權利要求9所述的製備方法，其特徵在於，所述氫氟酸緩衝溶液包括氟化氫、氟化氨和去離子水，其pH值約為5.4。
全文摘要
本發明公開了一種基於極性/非極性異質結的光伏器件及其製備方法，所述光伏器件包括非極性層和極性層，其中，所述非極性層為使用非極性材料的基片；所述極性層為沉積在所述非極性層上的極性材料薄膜。本發明還公開了一種基於極性/非極性異質結的光伏器件的製備方法。本發明公開的基於極性/非極性異質結的光伏器件的結構簡單，製備容易；所述光伏器件僅僅在非極性基片上沉積幾個晶胞層的極性材料即可實現可觀的光伏效應。
文檔編號H01L31/06GK103117322SQ20131003994
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月1日 優先權日2013年2月1日
發明者曾長淦, 梁海星, 成龍, 鄧昕洲 申請人:中國科學技術大學