一種梯度鐵電薄膜太陽能電池的製備方法
2024-02-21 05:46:15 1
專利名稱：一種梯度鐵電薄膜太陽能電池的製備方法
技術領域：
本發明屬於半導體材料技術領域，具體涉及一種鐵電薄膜太陽能電池的製備方法，尤其是指一種基於梯度BiFeO3薄膜的太陽能電池。
背景技術：
在過去幾十年中，人們在鐵電體這種非中心對稱材料中發現了不同於傳統p-n結或肖特基結的另一種光伏效應機制，即所謂的鐵電光伏效應；利用鐵電光伏效應的太陽能電池具有許多優異的特點，例如電池結構設計簡單；光誘導的電壓可以不受半導體材料帶隙的限制而能產生非常大的電壓；產生的光電流正比於鐵電極化強度等；因此，鐵電材料的光伏效應在光電子和太陽能器件方面具有非常大的應用潛力，但是，由於鐵電材料具 有相對較寬的帶隙和較大的內阻，其產生的短路電流密度和光電轉換效率均較低。近來，研究者們在多鐵性材料BiFeO3單晶和薄膜中發現了一個大的光伏效應；較窄的光學帶隙(2. 2 eV)，高的飽和極化強度(90MC/cm2)和大的穩態光電流密度(7. 35μΑ/cm2)使BiFeO3MW在光伏器件方面的應用成為可能，如[T. Choi, S. Lee, Y. J. Choi,V. Kiryukhin, and S. ff. Cheong, Science, 324, 63 (2009) ·]，此後，對多鐵性 BiFeO3材料光伏效應的研究吸引了越來越多的關注；Yang等人研究了薄膜厚度對BiFeO3光伏效應的影響[S. Y. Yang, L. ff. Martin, S. J. Byrnes, T. E. Conry, S. R. Basu, D.Paranj L Reichertzj J. Ihlefeldj C. Adamoj A. Melville, Y. H. Chuj C. H. Yang,J. L Musfeldtj D. G. Schlomj J. W. Ager III，and R. Rameshj AppI. Phys. Lett.95，062909 (2009).] Jiang等人利用脈衝雷射沉積方法在藍寶石基底上製備了 BiFeOj^膜，研究了氧壓力對薄膜微結構、光學性質、電子能帶結構的影響[K. Jiang, J. J. Zhu, J.D. Wuj J. Sun，Z. G. Huj and J. H. Chuj ACS Applied Materials & Interfaces, 3，4844 (2011).];另有研究表明，採用氧化物作為多晶BiFeO3薄膜的電極，此電容結構比金屬電極電容結構具有更大的光伏效應[B. Chen, M. Li, Y. ff. Liu, Z. H. Zuo, F. Zhuge,Q. F. Zhan, and R. ff. Li, Nanotechnology, 22, 195201 (2011). M. Qin, K. Yao,and Y. C. Liang, AppI. Phys. Lett. 95, 022912 (2009). F. Chen, X. I. Tan, Z.Huang, X. F Xuan, and ff. B. ffu, AppI. Phys. Lett. 96, 262902 (2010).];此外，薄膜與基底之間由於晶格不匹配而產生的應力也能夠極大地減小BiFeO3薄膜的帶隙，從而能提高其光伏效應[Z. Fu, Z. G. Yin, N. F. Chen, X. ff. Zhang, H. Zhang, Y. M. Bai,and J. L. ffu, Phys. Status Solidi RRL, 6, 37 (2012). 0. E. Gonzalez-Vazquez,and J. Iniguez, Phys. Rev. B, 79，064102 (2009) ·];雖然BiFeO3薄膜的光伏效應以及基於BiFeO3薄膜太陽能電池的製備已有一些文獻報導，但所涉及到的BiFeO3薄膜僅止於單層薄膜，多層光學帶隙梯度的BiFeO3薄膜光伏效應的研究還未見報導，更未見梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的製備。本發明提出多層BiFeO3薄膜的光學帶隙梯度設計及梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的製備，通過BiFeO3薄膜的梯度設計增加對太陽光的吸收，從而提高BiFeO3薄膜太陽能電池的光電轉換效率。
發明內容
本發明提出通過多層BiFeO3薄膜光學帶隙梯度的設計，製備BiFeO3薄膜太陽能電池，達到提高BiFeO3薄膜太陽能電池的光電轉換效率。實現本發明的技術方案為
第一步基底清洗；
第二步製備下電極；
第三步利用磁控濺射方法製備-光學帶隙梯度變化的BiFeO3薄膜；
第四步製備上電極；
第五步測試梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的光學和電學性質。所述方法第一步，基底選擇SrTi03、DyScO3或Nb-SrTiO3，依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗。所述方法第二步，採用磁控濺射方法製備電極，選擇SrRuO3作為下電極，厚度為60-300 nm0所述方法第三步，採用磁控派射方法製備梯度BiFeO3薄膜；祀材選擇BihlFeO3陶瓷靶；工藝條件為濺射功率為70-90W，沉積溫度為650-750 °C, Ar 02的流量比1:15-11:1，腔體壓力為0.01-1 Pa，薄膜的厚度為15-300 nm。所述梯度BiFeO3薄膜由三層構成,通過逐步提高每層薄膜沉積時的Ar與O2的流量比、逐步提高每層薄膜沉積時的沉積溫度或逐步提高每層薄膜沉積時的腔體壓力製備得到梯度BiFeO3薄膜。所述方法第四步，採用磁控濺射方法製備電極，選擇ΙΤ0、Au或Pt作為上電極，厚度為 40-300 nm。所述方法第五步，測試梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的吸收係數，J-V曲線等性質，電壓範圍為-I到I V。本發明的優點利用磁控濺射沉積技術，調節各層BiFeO3薄膜的光學帶隙，提高其吸收光譜範圍，從而提高梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的光電轉換效率。
圖I是梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的示意圖，為了測量電池的光學和電學性質，選擇SrRuO3作為下電極，ΙΤ0、或Au、或Pt點陣作為上電極；IT0、Au、Pt點陣中圓點直徑為
O.05-0. 2 mm，點與點之間的間隔是2-3 mm。
具體實施例方式以下結合實例進一步說明本發明的內容
實施例I :通過改變Ar 02流量比製備梯度BiFeO3薄膜太陽能電池。I.基底的清洗
先將(001) SrTiO3基底依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗10分鐘，最後用高純氮氣將基底吹乾。2.下電極的製備選用SrRuO3陶瓷祀，將真空腔體的本底真空抽至4X 10_4 Pa，沉積溫度為650 °C，濺射功率為70 W，薄膜厚度為70 nm。3.利用磁控濺射設備製備梯度BiFeO3薄膜
選用Bi1. JeO3陶瓷靶，基底溫度為650 °C，工作壓強為O. 01 Pa，濺射功率為90 W，各層薄膜的沉積時間均為I小時。
3. I梯度薄膜的第一層製備
薄膜沉積時的Ar 02流量比為1:15 ;薄膜厚度為100 nm ；
3. 2梯度薄膜的第二層製備
薄膜沉積時的Ar 02流量比為1:3 ;薄膜厚度為100 nm ；
3. 3梯度薄膜的第三層製備
薄膜沉積時的Ar 02流量比為3:1 ;薄膜厚度為100 nm。4.上電極的製備
採用Au靶，利用濺射方法製作直徑為O. 2 mm的上電極點陣，濺射工藝參數為濺射氣氛為純Ar，氣壓為8 Pa，基底溫度為650 °C，濺射功率為30 W。5.電池性能的測試
實施效果最後進行電池的性能測試，在AMl. 5，100mff/cm2標準光強的照射下，短路電流密度為6 mA/cm2,開路電壓為O. 9 V，效率為O. 5%。實施例2 :通過改變基底沉積溫度製備梯度BiFeO3薄膜太陽能電池。I.襯底清洗
方法同具體實施方式
一中的步驟I。2.下電極的製備
方法同具體實施方式
一中的步驟2。3.利用磁控濺射設備製備梯度BiFeO3薄膜
選用BiuFeO3陶瓷祀，Ar :02流量比為3:1，工作壓強為O. 01 Pa，濺射功率為90 W，各層薄膜的沉積時間均為O. 5小時。3. I梯度薄膜的第一層製備
薄膜沉積時的基底溫度為650 °C，薄膜厚度為50 nm ；
3. 2梯度薄膜的第二層製備
薄膜沉積時的基底溫度為700 °C，薄膜厚度為50 nm ；
3. 3梯度薄膜的第三層製備
薄膜沉積時的基底溫度為750 °C，薄膜厚度為50 nm。4.上電極的製備
方法同具體實施方式
一中的步驟4。5.電池性能的測試
實施效果最後進行電池的性能測試，在AMl. 5，100mff/cm2標準光強的照射下，短路電流密度為5 mA/cm2,開路電壓為O. 8 V，效率為O. 4%。實施例3 :通過改變腔體壓力製備梯度BiFeO3薄膜太陽能電池。I.襯底清洗
方法同具體實施方式
一中的步驟I。
2.下電極的製備
方法同具體實施方式
一中的步驟2。3.利用磁控濺射設備製備梯度BiFeO3薄膜
選用BiuFeO3陶瓷祀，Ar :02流量比為3:1，基底溫度為650 °C，濺射功率為90 W，各層薄膜的沉積時間均為lOmin。3. I梯度薄膜的第一層製備
薄膜沉積時的腔體壓力為O. 01 Pa，薄膜厚度為15nm ；
3. 2梯度薄膜的第二層製備
薄膜沉積時的腔體壓力為O. I Pa，薄膜厚度為15nm ；
3.3梯度薄膜的第三層製備
薄膜沉積時的腔體壓力為I Pa，薄膜厚度為15nm。4.上電極的製備
方法同具體實施方式
一中的步驟4。5.電池性能的測試
實施效果最後進行電池的性能測試，在AMl. 5，100mff/cm2標準光強的照射下，短路電流密度為5 mA/cm2,開路電壓為O. 8 V，效率為O. 4%。
權利要求
1.ー種梯度鐵電薄膜太陽能電池的製備方法，其特徵在於包括如下步驟 第一歩基底清洗； 第二歩製備下電扱； 第三步利用磁控濺射方法製備-光學帶隙梯度變化的BiFeO3薄膜； 第四歩製備上電扱； 第五步測試梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的光學和電學性質； 所述方法第三步，採用磁控派射方法製備梯度BiFeO3薄膜；祀材選擇Bi1. FeO3陶瓷革巴；エ藝條件為濺射功率為70-90W，沉積溫度為650-750で，Ar 02的流量比1:15-11: 1，腔體壓カ為0.01-1 Pa，薄膜的厚度為15-300 nm ;所述梯度BiFeO3薄膜由三層構成，通過逐步提高每層薄膜沉積時的Ar與O2的流量比、逐步提高每層薄膜沉積時的沉積溫度或逐步提 高每層薄膜沉積時的腔體壓カ製備得到梯度BiFeO3薄膜。
2.如權利要求I所述的ー種梯度鐵電薄膜太陽能電池的製備方法，其特徵在於所述方法第一歩，基底選擇SrTi03、DyScO3或Nb-SrTiO3，依次用丙酮、無水こ醇和去離子水超聲清洗。
3.如權利要求I所述的ー種梯度鐵電薄膜太陽能電池的製備方法，其特徵在於所述方法第二步，採用磁控濺射方法製備電極，選擇SrRuO3作為下電極，厚度為60-300 nm。
4.如權利要求I所述的ー種梯度鐵電薄膜太陽能電池的製備方法，其特徵在於所述方法第四步，採用磁控濺射方法製備電極，選擇ΙΤ0、Au或Pt作為上電極，厚度為40-300nm。
5.如權利要求I所述的ー種梯度鐵電薄膜太陽能電池的製備方法，其特徵在於所述方法第五歩，測試梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的吸收係數，J-V曲線等性質，電壓範圍為-I到I V。
全文摘要
本發明屬於半導體材料技術領域，具體涉及一種鐵電薄膜太陽能電池的製備方法，尤其是指一種基於梯度BiFeO3薄膜的太陽能電池。本發明提出多層BiFeO3薄膜的光學帶隙梯度設計及梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的製備，通過BiFeO3薄膜的梯度設計增加對太陽光的吸收，從而提高BiFeO3薄膜太陽能電池的光電轉換效率。
文檔編號H01L31/18GK102651428SQ20121016304
公開日2012年8月29日 申請日期2012年5月24日 優先權日2012年5月24日
發明者丁建寧, 王秀琴, 袁寧一, 邱建華, 陳智慧 申請人:常州大學