CN102176472B - 一种体效应太阳能电池材料及其制备方法 - Google Patents

一种体效应太阳能电池材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102176472B
CN102176472B CN201110041461XA CN201110041461A CN102176472B CN 102176472 B CN102176472 B CN 102176472B CN 201110041461X A CN201110041461X A CN 201110041461XA CN 201110041461 A CN201110041461 A CN 201110041461A CN 102176472 B CN102176472 B CN 102176472B
Authority
CN
China
Prior art keywords
solar cell
bifeo
cell material
substrate
preparation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201110041461XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN102176472A (zh
Inventor
黄东骥
田建军
孔慧
朱丽萍
杨平雄
褚君浩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
East China Normal University
Original Assignee
East China Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by East China Normal University filed Critical East China Normal University
Priority to CN201110041461XA priority Critical patent/CN102176472B/zh
Publication of CN102176472A publication Critical patent/CN102176472A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102176472B publication Critical patent/CN102176472B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

本发明提供了一种体效应太阳能电池材料，包括金属电极、BiFeO3铁电体、LaNiO3/Si衬底，其中，所述BiFeO3铁电体垂直于LaNiO3/Si衬底方向生长。本发明还提供一种体效应太阳能电池材料的制备方法，以铁酸铋（BiFeO3）为结构材料，使用溶胶凝胶法制备纯相铁酸铋薄膜，旋涂于LaNiO3/Si衬底上并在高温下阶梯退火，再向其溅射电极。本发明中的铁酸铋薄膜表面均匀致密，结晶性能好，无杂相，且以金属电极-铁电体-缓冲层衬底三明治结构测试光伏效应，测试结构简易明了，可得到较大开路电压。

Description

一种体效应太阳能电池材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电子材料、半导体材料与器件技术领域，具体地是涉及一种体效应太阳能电池材料及其制备方法。
背景技术
随着非可再生能源的过度开采，能源危机蔓延全球，开发利用新能源迫在眉睫，太阳能作为可再生能源的主导，有相当乐观的开发前景。太阳能电池是直接利用太阳能发电的元件，目前大量应用的太阳能电池，其制作材料主要是硅系列，而众所周知的是，其转换效率的提高已经快要达到极限，所以研究开发新材料是太阳能电池产业发展的方向，它对于更好更高效地利用太阳能有着实际意义。
铁电材料以其特有的自极化特性，在新型存储器的研究应用中占有重要席位。这种自极化的特性遍布于整个铁电体，其产生的电势能将材料中产生的光生空穴电子对迅速拉开，贡献于光电压。铁酸铋（BiFeO3）是一种禁带宽度为2.5eV的间接带隙铁电材料，这种在可见光波长内的能量带隙使得其成为最具潜力的体效应太阳能电池材料。
本发明克服了现有技术中的铁酸铋薄膜工艺复杂，成本高，结晶温度高，颗粒分布不均匀，无明显择优取向，杂相多的技术缺陷，提供了一种在LaNiO3/Si衬底上生长BiFeO3铁电体的体效应太阳能电池材料，本发明的体效应太阳能电池材料中的铁酸铋薄膜具有成膜质量高，单轴取向性高，颗粒均匀，光吸收性能好等特点。本发明利用铁电体的体效应特性克服了传统硅固态太阳能电池带隙电压的限制，使半导体薄膜材料可产生光伏效应，为未来高效稳定的太阳能电池，以及相应光电器件的发展提供了一个新的途径。同时，本发明还提供了所述体效应太阳能电池材料的制备方法。其中，在BiFeO3铁电体薄膜的制备中使用了溶胶凝胶法，使得本发明制备方法可以精确改变BiFeO3铁电体中各成分比例，不仅降低制作成本，适合大规模工业生产，更能精准添加各种离子提高BiFeO3铁电体薄膜特性，使太阳能电池材料的性能得到优化。
发明内容
本发明提供了一种体效应太阳能电池材料，其特征在于，所述体效应太阳能电池包括金属电极、BiFeO3铁电体和LaNiO3/Si衬底，其中，所述BiFeO3铁电体垂直于LaNiO3/Si衬底方向生长。
本发明中，所述BiFeO3铁电体的厚度为100~300nm，其晶粒大小为20~30nm。
本发明中，所述LaNiO3/Si衬底由LaNiO3缓冲层及Si构成，所述LaNiO3缓冲层的厚度是50~150nm。
本发明中，所述金属电极是Pt。
本发明还提供了所述体效应太阳能电池材料的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
a、制备BiFeO3溶胶：将硝酸铋、硝酸铁溶于冰醋酸，经搅拌溶解后加入乙二醇，经搅拌得到澄清透明棕红色溶液，陈化所述溶液制得BiFeO3溶胶；
b、涂胶、退火：将步骤a制得的所述BiFeO3溶胶旋涂于所述LaNiO3/Si衬底上，然后在高温下对其进行阶梯退火；
c、重复步骤b的涂胶、退火过程；
d、电极制备：向步骤c制得的经过BiFeO3铁电体涂胶的LaNiO3/Si衬底上，溅射所述金属电极，即制得所述的体效应太阳能电池材料。
本发明中，所述步骤a中加入所述乙二醇调节溶液浓度至0.2~0.3mol/L；所述步骤b中的高温是在500～600℃的温度范围内，使用快速热退火炉退火；所述步骤d中金属电极的溅射时间为10-20分钟，金属电极的溅射中掩模板为网状或插齿状。
本发明中，所述网状掩模板的规格如下：尺寸2cm×2cm，镂空处为正方形，其边长0.1~0.5mm，间距0.5~2mm；所述插齿状掩模板的规格如下：尺寸2cm×1.6 cm，镂空处为插齿，齿长1cm~1.5c，齿宽0.1~0.5mm，间距0.5~2mm。具体尺寸根据要求选择。
本发明提供一种体效应太阳能电池材料，其中，涉及到一种高效生长铁酸铋薄膜的方法，即采用溶胶凝胶法，使用快速热退火炉生长厚度可控的铁酸铋薄膜。以解决现有铁酸铋薄膜制备方法条件苛刻，成本高的问题，提供一种低成本，高重复性，适用于大规模工业生产的方法。本发明还提供一种体效应太阳能电池器件结构。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种在LaNiO3/Si衬底上生长BiFeO3铁电体的体效应太阳能电池材料的制备方法，依次包括下列步骤：
一. 薄膜制备
1.      前驱液制备。将硝酸铁，硝酸铋粉末与适量冰醋酸混合，室温下搅拌30~60分钟，使硝酸铁，硝酸铋粉末完全溶解。加入适量乙二醇，调节溶液粘稠度。继续室温下搅拌，得到暗红色澄清透明溶液。陈化溶液一定时间，得到铁酸铋溶胶。所得溶胶可在室温下长时间存放。
2.      将LaNiO3/Si衬底在分别在丙酮，酒精，去离子水中分别超声5~10分钟。
3.      涂胶。使用匀胶机将铁酸铋溶胶旋涂于LaNiO3/Si衬底，转速为5000～6000转/分。
4.      使用快速热退火炉阶梯退火。除去水，有机溶剂，薄膜结晶，得到BiFeO3-薄膜，膜厚约为20~30nm。
5.      重复步骤3，4至BiFeO3-薄膜的厚度达到预先设定的厚度。
二．电极制备
1.      真空溅射Pt电极，溅射时间10~20分钟。其中所使用的掩模板为网状或插齿状。网状掩模板规格为：尺寸2cm×2cm，镂空处为正方形，边长0.1~0.5mm，间距0.5~2mm；插齿状掩模板规格为：尺寸2cm×1.6 cm，镂空处为插齿，齿长1cm~1.5cm，齿宽0.1~0.5mm，间距0.5~2mm。具体尺寸根据要求选择。
2.      使快速热退火炉退火，使电极与材料充分欧姆接触。
本发明以铁酸铋（BiFeO3）为结构材料，使用溶胶凝胶法制备纯相铁酸铋薄膜。以冰醋酸，乙二醇为溶剂，硝酸铋，硝酸铁为溶质，所得前驱体澄清透明，能长时间存放。将前驱体溶液旋涂于清洗过的LaNiO3/Si衬底，使用快速热退火炉层层退火，晶化热处理后得到铁酸铋薄膜。使用真空镀膜机在铁酸铋薄膜上生长Pt电极。本发明生长的铁酸铋薄膜表面均匀致密，结晶性能好，无杂相。使用金属电极-铁电体-缓冲层衬底三明治结构测试光伏效应，测试结构简易明了，得到较大的开路电压。
本发明与现有技术相比，具有成本低，生长温度低，成膜质量高等优点，且生成的铁酸铋薄膜厚度可控性好，单向性高，光吸收性能好，将薄膜结构生长在硅衬底上，可结合目前成熟的半导体硅集成电路工艺，适合于集成纳米光电子器件的发展。本发明利用了铁电材料的体效应，克服了传统固态太阳能电池带隙电压的限制，使半导体薄膜材料可产生光伏效应，为未来高效稳定的太阳能电池，以及相应光电器件的发展提供了一个新的途径。本发明中的电极制备过程中还可以采用插齿状掩模，使用透明导电氧化物（ITO）为电极，进一步提高光利用率。
附图说明
图1是本发明体效应太阳能电池材料的结构示意图。
图2是本发明体效应太阳能电池材料中BiFeO3铁电体薄膜的X射线衍射图。
图3是本发明体效应太阳能电池材料的制备中所使用的网状掩模板的结构示意图。
图4是本发明体效应太阳能电池材料的制备中所使用的插齿状掩模板的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步详细阐述本发明，但实施例不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。
如图1所示：本发明体效应太阳能电池材料的结构自下往上依次为：Si衬底、LaNiO3缓冲层、BiFeO3薄膜、Pt电极。测试时，在所述Pt电极两端各施加两个测试引线，用来施加扫描电压与测试开路电压。光照垂直于薄膜表面，使得光线与薄膜极化方向垂直。
实施例1
本实施例是在LaNiO3/Si衬底上生长BiFeO3的体效应太阳能电池材料的制备过程及其光电压的测试。
一. 薄膜制备
1.前驱液制备。将硝酸铁，硝酸铋粉末溶于冰醋酸，室温下搅拌30分钟，搅拌速率为 600转/分，使硝酸铁，硝酸铋完全溶解。再加入乙二醇,调节溶液粘稠度，使得溶液浓度为0.25mol/L。继续室温下搅拌30分钟，搅拌速率为600转/分。得到暗红色澄清透明溶液。陈化溶液72小时，得到铁酸铋溶胶。所得溶胶可在室温下长时间存放。
2．将LaNiO3/Si衬底在分别在丙酮，酒精，去离子水中分别超声5分钟。
3．涂胶。使用匀胶机将铁酸铋溶胶旋涂于步骤2所得的LaNiO3/Si衬底上，转速为6000转/分。
4．使用快速热退火炉阶梯退火。200℃退火2分钟，除去水分；350℃退火3分钟，除去有机溶剂；600℃退火4分钟，结晶，得到铁酸铋-薄膜，膜厚约为25nm。
5．重复步骤3，4，直至铁酸铋-薄膜厚度达到150nm。
本发明制备方法中所得的BiFeO3薄膜X射线衍射测试结构如图2所示，BiFeO3薄膜呈现(101)择优取向，单向性明显，成膜质量好，无其他杂项。薄膜晶粒尺寸为26.8nm。
二．电极制备
1．采用网状掩模板进行真空溅射Pt电极。电极选择：0.3×0.3mm,间距2mm，溅射时间10分钟。本实施方式中溅射电极所用掩模板如图3所示。溅射时将掩模板覆盖于薄膜表面，白色部分为镂空，溅射完毕便在薄膜上留下相应大小的电极。
2．使用快速热退火炉，300℃退火5分钟，使电极与材料充分欧姆接触。
三.  光电压测试
使用Newport系统测试光电压。测试过程中使用光源为1000W/m2，用来模拟太阳光谱（AM1.5）。测试过程在室温下进行。
测试过程中扫描电压为-2V~2V，所得开路电压为4.9V。测试结构充分利BiFeO3薄膜本身的极化特性，利用各个极化畴内的极化电压将由光照激发的电子空穴对充分拉开，并由电极收集，宏观表现为开路电压。
本发明利用铁电材料产生光伏效应，其原理有别于传统的P-N结太阳能电池，克服了传统固态太阳能电池带隙电压的限制，使半导体薄膜材料可产生光伏效应，为未来高效稳定的太阳能电池，以及相应光电器件的发展提供了一个新的途径。

Claims (6)

1.一种体效应太阳能电池材料，其特征在于，所述太阳能电池材料包括金属电极、BiFeO3铁电体和LaNiO3/Si衬底，其中，所述BiFeO3铁电体垂直于LaNiO3/Si衬底方向生长；所述BiFeO3铁电体薄膜表面均匀致密，结晶性能好，无杂相；所述体效应太阳能电池材料的开路电压为4.9V；其中，所述BiFeO3铁电体的厚度为100~300nm，其晶粒大小为20~30nm。 
2.如权利要求1所述的体效应太阳能电池材料，其特征在于，所述LaNiO3/Si衬底由LaNiO3缓冲层及Si构成，所述LaNiO3缓冲层的厚度是50~150nm。 
3.如权利要求1所述的体效应太阳能电池材料，其特征在于，所述金属电极是Pt。 
4.一种权利要求1所述的体效应太阳能电池材料的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤： 
a、制备BiFeO3溶胶：将硝酸铋、硝酸铁溶于冰醋酸，经搅拌溶解后加入乙二醇，再经搅拌得到澄清透明棕红色溶液，陈化所述溶液制得BiFeO3溶胶； 
b、涂胶、退火：将步骤a制得的所述BiFeO3溶胶旋涂于所述LaNiO3/Si衬底上，然后在高温下对其进行阶梯退火；其中，所述退火过程为200℃退火2min，350℃退火3min，500~600℃退火4min； 
c、重复步骤b的涂胶、退火过程； 
d、电极制备：向步骤c制得的经过BiFeO3铁电体涂胶的LaNiO3/Si衬底上，溅射所述金属电极，即制得所述体效应太阳能电池材料。 
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a中加入所述乙二醇调节溶液浓度至0.2~0.3mol/L。 
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤d中金属电极的溅射时间为10-20分钟，金属电极的溅射中使用网状或插齿状掩模板。 
CN201110041461XA 2011-02-21 2011-02-21 一种体效应太阳能电池材料及其制备方法 Expired - Fee Related CN102176472B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110041461XA CN102176472B (zh) 2011-02-21 2011-02-21 一种体效应太阳能电池材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110041461XA CN102176472B (zh) 2011-02-21 2011-02-21 一种体效应太阳能电池材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102176472A CN102176472A (zh) 2011-09-07
CN102176472B true CN102176472B (zh) 2013-04-10

Family

ID=44519611

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110041461XA Expired - Fee Related CN102176472B (zh) 2011-02-21 2011-02-21 一种体效应太阳能电池材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102176472B (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102651428B (zh) * 2012-05-24 2014-10-29 常州大学 一种梯度铁电薄膜太阳能电池的制备方法
CN102856430B (zh) * 2012-07-25 2015-04-22 常州大学 一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法
CN103014625B (zh) * 2012-12-28 2014-08-13 东南大学 制备四方相室温多铁性材料BiFeO3的方法
CN103078013B (zh) * 2013-01-29 2015-05-20 上海交通大学 钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜太阳能电池的制备方法
CN103681907B (zh) * 2013-12-13 2016-04-20 重庆科技学院 光伏纳米发电机及其制造方法
US9287437B2 (en) * 2014-02-06 2016-03-15 Tsmc Solar Ltd. Apparatus and method for monitoring the process of fabricating solar cells
CN104900726B (zh) * 2015-05-05 2017-09-19 重庆科技学院 一种太阳能电池结构
CN104851928B (zh) * 2015-05-28 2017-08-25 重庆科技学院 一种太阳能电池结构
CN105702753B (zh) * 2016-01-21 2017-08-25 重庆科技学院 一种具有体光伏效应的铁电薄膜器件
CN105742493B (zh) * 2016-02-26 2017-12-26 河北大学 一种多铁氧化物叉指背接触太阳能电池及其制备方法
CN110911568A (zh) * 2019-12-03 2020-03-24 武汉大学 一种银铋硫薄膜光电探测器及其制备方法
CN115579424B (zh) * 2022-10-31 2024-01-26 内蒙古工业大学 一种柔性铁酸铋薄膜的制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101728484A (zh) * 2009-11-20 2010-06-09 上海师范大学 一种BiFeO3薄膜电阻存储器结构及其制备方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101728484A (zh) * 2009-11-20 2010-06-09 上海师范大学 一种BiFeO3薄膜电阻存储器结构及其制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Dongji Huang.Optical and electrical properties of multiferroic bismuth ferrite thin films fabricated.《Materials Letters》.2010,2233－2235.
Gang Sheng等.Optical properties of BiFeO3 films grown by Sol-gel method.《SPIE》.2009,第7518卷全文.
Optical and electrical properties of multiferroic bismuth ferrite thin films fabricated;Dongji Huang;《Materials Letters》;20100717;2233－2235 *
Optical properties of BiFeO3 films grown by Sol-gel method;Gang Sheng等;《SPIE》;20091231;第7518卷;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN102176472A (zh) 2011-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102176472B (zh) 一种体效应太阳能电池材料及其制备方法
CN101702377B (zh) 一种氧化锌/二氧化钛杂化电极及其制备方法
CN100576577C (zh) 一种n-ZnO纳米线/p-NiO异质pn结二极管及其制备方法
CN102544216B (zh) 在玻璃基板上制备BiFeO3铁电薄膜光伏电池的方法
CN104393177B (zh) 基于钙钛矿相有机金属卤化物的太阳能电池及其制备方法
CN107134531B (zh) 一种增大钙钛矿CH3NH3PbI3晶粒以改善薄膜结晶质量的方法
CN103078014B (zh) 铁酸铋/钛酸铋钠-钛酸钡异质结构铁电薄膜太阳能电池的制备方法
Huang et al. Renewable energy conversion, storage, and efficient utilization
CN111554763B (zh) 一种高开压高效钙钛矿/晶硅叠层电池
CN102154636B (zh) 一种p型高透射率（100）-取向的LaNiO3纳米薄膜的制备方法
CN104916785A (zh) 一种CH3NH3PbI3薄膜太阳能电池制备方法
CN103078013A (zh) 钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜太阳能电池的制备方法
CN106169537A (zh) 一种太阳能电池的制备方法
CN101857382A (zh) 一种片状碘氧化铋纳米薄膜电极的制备方法
CN102324316B (zh) 一种复合光阳极及其制备方法
CN102208487B (zh) 铜铟硒纳米晶/硫化镉量子点/氧化锌纳米线阵列纳米结构异质结的制备方法
CN102157617B (zh) 一种硅基纳米线太阳电池的制备方法
CN107331774B (zh) 一种新型钙钛矿太阳能电池结构和制备方法
CN104233433A (zh) 一种制备氧化亚铜薄膜的方法
CN110165020A (zh) 一种基于CdS/SnO2混合N型层的高效Sb2Se3薄膜电池及其制备方法
CN103073194B (zh) 一种ZnO纳米柱和ZnO纳米片层复合结构材料的制备方法
CN102593282A (zh) 一种ZnO纳米线阵列的掺杂方法
CN104167453A (zh) 一种基于CdSe纳米晶体的钙钛矿太阳电池及制备方法
CN104269461A (zh) n型In2S3缓冲层的成膜方法及其应用
CN111725337A (zh) 一种利用铁电性和压电光电子学效应提高BLFO/ZnO异质结光电性能的方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C53 Correction of patent for invention or patent application
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Huang Dongji

Inventor after: Tian Jianjun

Inventor after: Kong Hui

Inventor after: Zhu Liping

Inventor after: Yang Pingxiong

Inventor after: Chu Junhao

Inventor before: Huang Dongji

Inventor before: Yang Pingxiong

Inventor before: Chu Junhao

COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: HUANG DONGJI YANG PINGXIONG CHU JUNHAO TO: HUANG DONGJI TIAN JIANJUN KONG HUI ZHU LIPING YANG PINGXIONG CHU JUNHAO

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130410

Termination date: 20160221