CN102651428A - 一种梯度铁电薄膜太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种铁电薄膜太阳能电池的制备方法，尤其是指一种基于梯度BiFeO3薄膜的太阳能电池。本发明提出多层BiFeO3薄膜的光学带隙梯度设计及梯度BiFeO3薄膜太阳能电池的制备，通过BiFeO3薄膜的梯度设计增加对太阳光的吸收，从而提高BiFeO3薄膜太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种梯度铁电薄膜太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种铁电薄膜太阳能电池的制备方法，尤其是指一种基于梯度BiFeO3薄膜的太阳能电池。
背景技术
在过去几十年中，人们在铁电体这种非中心对称材料中发现了不同于传统p-n结或肖特基结的另一种光伏效应机制，即所谓的铁电光伏效应；利用铁电光伏效应的太阳能电池具有许多优异的特点，例如：电池结构设计简单；光诱导的电压可以不受半导体材料带隙的限制而能产生非常大的电压；产生的光电流正比于铁电极化强度等；因此，铁电材料的光伏效应在光电子和太阳能器件方面具有非常大的应用潜力，但是，由于铁电材料具有相对较宽的带隙和较大的内阻，其产生的短路电流密度和光电转换效率均较低。
近来，研究者们在多铁性材料BiFeO3单晶和薄膜中发现了一个大的光伏效应；较窄的光学带隙（2.2 eV），高的饱和极化强度(90µC/cm2)和大的稳态光电流密度（7.35µA/cm2）使BiFeO3材料在光伏器件方面的应用成为可能，如[T. Choi, S. Lee, Y. J. Choi, V. Kiryukhin, and S. W. Cheong, Science,324, 63 (2009).]，此后，对多铁性BiFeO3材料光伏效应的研究吸引了越来越多的关注；Yang等人研究了薄膜厚度对BiFeO3光伏效应的影响 [S. Y. Yang, L. W. Martin, S. J. Byrnes, T. E. Conry, S. R. Basu, D. Paran, L. Reichertz, J. Ihlefeld, C. Adamo, A. Melville, Y. H. Chu, C. H. Yang, J. L. Musfeldt, D. G. Schlom, J. W. Ager III, and R. Ramesh, Appl. Phys. Lett. 95, 062909 (2009).]；Jiang等人利用脉冲激光沉积方法在蓝宝石基底上制备了BiFeO3薄膜，研究了氧压力对薄膜微结构、光学性质、电子能带结构的影响[K. Jiang, J. J. Zhu,J. D. Wu, J. Sun, Z. G. Hu, and J. H. Chu, ACS Applied Materials & Interfaces, 3, 4844 (2011).]；另有研究表明，采用氧化物作为多晶BiFeO3薄膜的电极，此电容结构比金属电极电容结构具有更大的光伏效应[B. Chen,M. Li, Y. W. Liu, Z. H. Zuo, F. Zhuge, Q. F. Zhan, and R. W. Li, Nanotechnology, 22, 195201 (2011). M. Qin, K. Yao, and Y. C. Liang, Appl. Phys. Lett. 95, 022912 (2009). F. Chen, X. l. Tan, Z. Huang, X. F Xuan, and W. B. Wu, Appl. Phys. Lett. 96, 262902 (2010).]；此外，薄膜与基底之间由于晶格不匹配而产生的应力也能够极大地减小BiFeO3薄膜的带隙，从而能提高其光伏效应 [Z. Fu, Z. G. Yin, N. F. Chen, X. W. Zhang, H. Zhang, Y. M. Bai, and J. L. Wu, Phys. Status Solidi RRL, 6, 37 (2012). O. E. González-Vázquez, and J. Íñiguez, Phys. Rev. B, 79, 064102 (2009).]；虽然BiFeO3薄膜的光伏效应以及基于BiFeO3薄膜太阳能电池的制备已有一些文献报道，但所涉及到的BiFeO3薄膜仅止于单层薄膜，多层光学带隙梯度的BiFeO3薄膜光伏效应的研究还未见报道，更未见梯度BiFeO3薄膜太阳能电池的制备。
本发明提出多层BiFeO3薄膜的光学带隙梯度设计及梯度BiFeO3薄膜太阳能电池的制备，通过BiFeO3薄膜的梯度设计增加对太阳光的吸收，从而提高BiFeO3薄膜太阳能电池的光电转换效率。
发明内容：
本发明提出通过多层BiFeO3薄膜光学带隙梯度的设计，制备BiFeO3薄膜太阳能电池，达到提高BiFeO3薄膜太阳能电池的光电转换效率。
实现本发明的技术方案为：
第一步：基底清洗；
第二步：制备下电极；
第三步：利用磁控溅射方法制备-光学带隙梯度变化的BiFeO3薄膜；
第四步：制备上电极；
第五步：测试梯度BiFeO3薄膜太阳能电池的光学和电学性质。
所述方法第一步，基底选择SrTiO3、DyScO3或Nb-SrTiO3，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗。
所述方法第二步，采用磁控溅射方法制备电极，选择SrRuO3作为下电极，厚度为60-300 nm。
所述方法第三步，采用磁控溅射方法制备梯度BiFeO3薄膜；靶材选择Bi1.1FeO3陶瓷靶；工艺条件为：溅射功率为70-90W，沉积温度为650-750 ℃，Ar：O2的流量比1:15-11:1，腔体压力为0.01-1 Pa，薄膜的厚度为15-300 nm。
所述梯度BiFeO3薄膜由三层构成，通过逐步提高每层薄膜沉积时的Ar与O2的流量比、逐步提高每层薄膜沉积时的沉积温度或逐步提高每层薄膜沉积时的腔体压力制备得到梯度BiFeO3薄膜。
所述方法第四步，采用磁控溅射方法制备电极，选择ITO、Au或Pt作为上电极，厚度为40-300 nm。
所述方法第五步，测试梯度BiFeO3薄膜太阳能电池的吸收系数，J-V曲线等性质，电压范围为-1到1 V。
本发明的优点：利用磁控溅射沉积技术，调节各层BiFeO3薄膜的光学带隙，提高其吸收光谱范围，从而提高梯度BiFeO3薄膜太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1是梯度BiFeO3薄膜太阳能电池的示意图，为了测量电池的光学和电学性质，选择SrRuO3作为下电极，ITO、或Au、或Pt点阵作为上电极；ITO、Au、Pt点阵中圆点直径为0.05-0.2 mm，点与点之间的间隔是2-3 mm。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明的内容：
实施例 1：通过改变Ar：O2流量比制备梯度BiFeO3薄膜太阳能电池。
1．基底的清洗
先将（001）SrTiO3基底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗10分钟，最后用高纯氮气将基底吹干。
2．下电极的制备
选用SrRuO3陶瓷靶，将真空腔体的本底真空抽至4×10-4 Pa，沉积温度为650 0C，溅射功率为70 W，薄膜厚度为70 nm。
3．利用磁控溅射设备制备梯度BiFeO3薄膜
选用Bi1.1FeO3陶瓷靶，基底温度为650 0C，工作压强为0.01 Pa，溅射功率为90 W，各层薄膜的沉积时间均为1小时。
3.1梯度薄膜的第一层制备
薄膜沉积时的Ar：O2流量比为1:15；薄膜厚度为100 nm；
3.2梯度薄膜的第二层制备
薄膜沉积时的Ar：O2流量比为1:3；薄膜厚度为100 nm；
3.3梯度薄膜的第三层制备
薄膜沉积时的Ar：O2流量比为3:1；薄膜厚度为100 nm。
4．上电极的制备
采用Au靶，利用溅射方法制作直径为0.2 mm的上电极点阵，溅射工艺参数为：溅射气氛为纯Ar，气压为8 Pa，基底温度为650 0C，溅射功率为30 W。
5．电池性能的测试
实施效果：最后进行电池的性能测试，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，短路电流密度为6 mA/cm2，开路电压为0.9 V，效率为0.5%。
实施例 2 ：通过改变基底沉积温度制备梯度BiFeO3薄膜太阳能电池。
1．衬底清洗
方法同具体实施方式一中的步骤1。
2．下电极的制备
方法同具体实施方式一中的步骤2。
3．利用磁控溅射设备制备梯度BiFeO3薄膜
选用Bi1.1FeO3陶瓷靶，Ar：O2流量比为3:1，工作压强为0.01 Pa，溅射功率为90 W，各层薄膜的沉积时间均为0.5小时。
3.1梯度薄膜的第一层制备
薄膜沉积时的基底温度为650 0C，薄膜厚度为50 nm；
3.2梯度薄膜的第二层制备
薄膜沉积时的基底温度为700 0C，薄膜厚度为50 nm；
3.3梯度薄膜的第三层制备
薄膜沉积时的基底温度为750 0C，薄膜厚度为50 nm。
4. 上电极的制备
方法同具体实施方式一中的步骤4。
5．电池性能的测试
实施效果：最后进行电池的性能测试，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，短路电流密度为5 mA/cm2，开路电压为0.8 V，效率为0.4%。
实施例 3 ：通过改变腔体压力制备梯度BiFeO3薄膜太阳能电池。
1．衬底清洗
方法同具体实施方式一中的步骤1。
2．下电极的制备
方法同具体实施方式一中的步骤2。
3. 利用磁控溅射设备制备梯度BiFeO3薄膜
选用Bi1.1FeO3陶瓷靶，Ar：O2流量比为3:1，基底温度为650 0C，溅射功率为90 W，各层薄膜的沉积时间均为10min。
3.1梯度薄膜的第一层制备
薄膜沉积时的腔体压力为0.01 Pa，薄膜厚度为15nm；
3.2梯度薄膜的第二层制备
薄膜沉积时的腔体压力为0.1 Pa，薄膜厚度为15nm；
3.3梯度薄膜的第三层制备
薄膜沉积时的腔体压力为1 Pa，薄膜厚度为15nm。
4. 上电极的制备
方法同具体实施方式一中的步骤4。
5．电池性能的测试
实施效果：最后进行电池的性能测试，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，短路电流密度为5 mA/cm2，开路电压为0.8 V，效率为0.4%。

Claims (5)

1.一种梯度铁电薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：基底清洗；
第二步：制备下电极；
第三步：利用磁控溅射方法制备-光学带隙梯度变化的BiFeO3薄膜；
第四步：制备上电极；
第五步：测试梯度BiFeO3薄膜太阳能电池的光学和电学性质；
所述方法第三步，采用磁控溅射方法制备梯度BiFeO3薄膜；靶材选择Bi1.1FeO3陶瓷靶；工艺条件为：溅射功率为70-90W，沉积温度为650-750 ℃，Ar：O2的流量比1:15-11:1，腔体压力为0.01-1 Pa，薄膜的厚度为15-300 nm；所述梯度BiFeO3薄膜由三层构成，通过逐步提高每层薄膜沉积时的Ar与O2的流量比、逐步提高每层薄膜沉积时的沉积温度或逐步提高每层薄膜沉积时的腔体压力制备得到梯度BiFeO3薄膜。
2.如权利要求1所述的一种梯度铁电薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述方法第一步，基底选择SrTiO3、DyScO3或Nb-SrTiO3，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗。
3.如权利要求1所述的一种梯度铁电薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述方法第二步，采用磁控溅射方法制备电极，选择SrRuO3作为下电极，厚度为60-300 nm。
4.如权利要求1所述的一种梯度铁电薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述方法第四步，采用磁控溅射方法制备电极，选择ITO、Au或Pt作为上电极，厚度为40-300 nm。
5.如权利要求1所述的一种梯度铁电薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述方法第五步，测试梯度BiFeO3薄膜太阳能电池的吸收系数，J-V曲线等性质，电压范围为-1到1 V。
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