CN103078013B - 钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在玻璃基板上制备钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜太阳能电池的方法，选择FTO导电玻璃作为基底，通过化学溶液沉积法制备钙钛矿结构钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜，然后通过物理溅射法在薄膜上制备上电极得到太阳能电池。利用超薄铁酸铋层能够提高钒酸铋薄膜的光伏效应并使其光伏效应进行反转。本发明能够以低的成本在玻璃基板上制备出一致性高，重复性好的钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜。所制备的异质结薄膜不仅具有优越的光伏特性且其二极管方向和单纯钒酸铋薄膜二极管方向相反，这些优越的特性可使超薄铁酸铋铁电薄膜及类似钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜在太阳能电池及光电器件领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于薄膜沉积及太阳能电池制备技术领域，尤其是涉及一种将超薄铁酸铋层植入到钒酸铋薄膜和电极之间来在制备钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜太阳能电池的方法。
背景技术
在过去几年里，铁电薄膜在薄膜太阳能电池薄膜领域的研究取得了较大的突破。新的技术和方法不断的应用到提高铁电薄膜的光伏效应上，其中包括利用地能带纳米金属氧化物颗粒或者是薄膜来改善太阳能电池的效率。此外，铁电薄膜由于其自发极化和极化可控的性质而在太阳能电池中的应用越来越得到重视。目前已经有研究人员利用超薄有机铁电聚合物P(VDF-TrFE)或无机铁电氧化物薄膜应用到有机太阳能电池中形成异质结薄膜太阳能电池，发现铁电材料具有提高和控制光伏效应的特点。铁电材料有望能够在太阳能电池领域得到重要的应用。
而目前还没有人利用无机超薄铁电薄膜来改善和控制无机光伏半导体太阳能电池。铋基氧化物半导体包括BiFeO3(BFO)、Bi2WO6(BWO)和BiVO4(BVO)因具有低的能带(2.4～2.8eV)和丰富的原料来源及经济的制备方法而在光催化以及太阳能电池领域得到应用。其中BiFeO3具有较强的自极化，这种自极化有望能够像P(VDF-TrFE)等铁电材料一样对无机太阳能电池的光伏效应进行改善和控制。
迄今为止，尚没有一种在玻璃基地上制备BVO/BFO异质结薄膜及其太阳能电池的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了改善和控制无机太阳能电池的光伏效应而提供一种在较廉价的玻璃基板上通过化学溶液沉积法将超薄BiFeO3层植入到BiVO4薄膜和电极之间来在制备异质结太阳能电池的方法，制备BiVO4/BiFeO3异质结太阳能电池的方法，制备方法简便，有利于降低成本，制备的异质结薄膜具有较优越的光伏性能并具有类似于二极管的单向导电特性，显示出可观的应用前景。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：选择玻璃作为基底，通过化学溶液沉积法制备钙钛矿结构BiVO4/BiFeO3异质结薄膜，然后通过物理溅射法在薄膜制备1mm*0.5mm的上电极，获得BiVO4/BiFeO3异质结太阳能电池，具体包括以下步骤：
步骤1：BiFeO3和BiVO4的前驱体溶液配制：
将Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O按Bi∶Fe摩尔比为1∶1溶解到N，N-二甲基甲酰胺中得到BiFeO3前驱体溶液(BFO前驱体溶液)，
将Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3按Bi∶V摩尔比为1∶1溶解到N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，以柠檬酸、乙酸和乙醇胺为辅助溶剂的混合溶剂中得到BiVO4前驱体溶液(BVO前驱体溶液)；
步骤2：采用化学溶液沉积法将BiFeO3前驱体溶液在玻璃基板上沉积得到厚度5～30nm的超薄BFO铁电薄膜；
步骤3：采用化学溶液沉积法将BiVO4前驱体溶液沉积在步骤2得到沉积有超薄BFO铁电薄膜的玻璃基板上，沉积厚度为150nm～200nm，即得到BVO/BFO异质结薄膜；
步骤4：通过物理溅射法在步骤3得到的BVO/BFO异质结薄膜上沉积上电极，即制备得到太阳能电池的上电极。
所采用的玻璃基板可以是FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。
所采用的上电极可以是Au电极、ITO电极或AZO背反射电极。
步骤2和步骤3中采用的化学溶液沉积法包括以下步骤：
1)利用甩胶机将BiFeO3前驱体溶液甩胶到玻璃基板上，控制转速为500rpm甩胶10秒然后在3000～4000rpm转速下甩胶30秒；
2)甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先300℃烘干1～5分钟，最后在O2气氛下通过快速退火炉在480～520℃烧结5分钟，完成超薄BFO铁电薄膜在玻璃基板上的沉积；
3)利用甩胶机将BiVO4前驱体溶液甩胶到沉积有超薄BFO铁电薄膜的玻璃基板上，控制转速为500rpm甩胶10秒然后在3000～4000rpm转速下甩胶30秒；
4)甩胶煅烧第一层BiVO4后先退火一次，在O2气氛下通过快速退火炉在550～600℃烧结5分钟，以后每层退火一次，一共甩胶8层，得到BiVO4/BiFeO3异质结薄膜。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用化学溶液沉积法在FTO导电玻璃上制备的BiVO4/BiFeO3异质结薄膜可以有效的降低生产成本，化学溶液沉积法由于采用快速退火工艺能够在FTO导电玻璃表面形成平整致密，晶粒大小均匀的薄膜表面，制备得到的BiVO4/BiFeO3异质结薄膜显示出了单斜多晶和菱方晶体结构，与单纯多晶BiVO4和BiFeO3的结构是一致的，薄膜没有杂相；
(2)基底来源广泛，制备方法简单，能够制备出一致性高，重复性好的钙钛矿结构BiVO4/BiFeO3异质结薄膜，对BiVO4/BiFeO3异质结薄膜成本的降低及工业化应用具有重要影响，制备的薄膜具有较优越的光伏性能及类似于二极管的单向导电特性，在植入超薄BiFeO3层后光电流和二极管的方向都发生了反转，对超薄BiFeO3铁电薄膜及BiVO4/BiFeO3异质结薄膜在太阳能电池及光电子领域中应用具有重大的意义。
附图说明
图1为实施例3制备的在FTO基底上所沉积BiVO4/BiFeO3异质结薄膜的X射线衍射图；
图2为实施例1制备的在FTO基底上所沉积BiVO4/BiFeO3异质结薄膜的光学透过曲线；
图3为实施例2制备的Au/BiVO4/BiFeO3/FTO异质结薄膜太阳能电池在暗场及光照(100mW/cm2)下的J-V曲线；
图4为实施例1制备的Au/BiVO4/BiFeO3/FTO异质结薄膜太阳能电池漏电流曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
首先将Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O(摩尔比按照Bi∶Fe＝1∶1)以DMF为溶剂配置BiFeO3前驱体溶液，前驱体溶液的浓度为0.2mL/cm2。其次将Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3(摩尔比按照Bi∶V＝1∶1)按比例并在柠檬酸、乙酸和乙醇胺的辅助下溶于DMF中，获得BiVO4前驱体溶液。然后通过甩胶法制备BiVO4/BiFeO3异质结薄膜。甩胶条件为：1)超薄BiFeO3层的制备：500rpm转速下甩胶10秒然后3000rpm转速下甩胶30秒。甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先350℃烘干1～3分钟，最后在O2气氛下通过快速退火炉在550℃烧结5分钟制备得到超薄BiFeO3层；2)BiVO4层：500rpm转速下甩胶10秒然后3000rpm转速下甩胶30秒。甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先350℃烘干1～3分钟，最后在O2气氛下通过快速退火炉在480℃烧结5分钟制备得到BiVO4薄膜。在煅烧第一层后先退火一次，以后每层都退火一次，一共甩胶8层，最后得到BiVO4/iFeO3异质结薄膜。
制备的薄膜在带有1mm*0.5mm孔洞的掩膜板的遮挡下用物理溅射方法在膜面上沉积1mm*0.5mm的Au上电极。
实施例2
首先将Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O(摩尔比按照Bi∶Fe＝1∶1)以DMF为溶剂配置BiFeO3前驱体溶液，前驱体溶液的浓度为0.2mL/cm2。将Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3(摩尔比按照Bi∶V＝1∶1)按比例并在柠檬酸、乙酸和乙醇胺的辅助下完全溶于DMF中，获得BiVO4前驱体溶液。然后通过甩胶法制备BiVO4/BiFeO3异质结薄膜。甩胶条件为：1)超薄BiFeO3层的制备：500rpm转速下甩胶10秒然后3000rpm转速下甩胶30秒。甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先350℃烘干1～3分钟，最后在O2气氛下通过快速退火炉在600℃烧结5分钟制备得到超薄BFO层；2)BiVO4层：500rpm转速下甩胶10秒然后3000rpm转速下甩胶30秒。甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先350℃烘干1～3分钟，最后在O2气氛下通过快速退火炉在500℃烧结5分钟制备得到超薄BVO层。甩胶煅烧第一层后先退火一次，以后每层都退火一次，一共甩胶8层BiVO4，最后得到BiVO4/BiFeO3异质结薄膜。
制备的异质结薄膜在带有1mm*0.5mm孔洞的掩膜板的遮挡下用物理溅射方法在膜面上沉积1mm*0.5mm的Au上电极。
实施例3
首先将Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O(摩尔比按照Bi∶Fe＝1∶1)以DMF为溶剂配置BiFeO3前驱体溶液，前驱体溶液的浓度为0.2mL/cm2。将Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3(摩尔比按照Bi∶V＝1∶1)按比例并在柠檬酸、乙酸和乙醇胺的辅助下完全溶于DMF中，获得BiVO4前驱体溶液。然后通过甩胶法制备BiVO4/BiFeO3异质结薄膜。甩胶条件为：1)超薄BiFeO3层的制备：500rpm转速下甩胶10秒然后3000rpm转速下甩胶30秒。甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先350℃烘干1～3分钟，最后在O2气氛下通过快速退火炉在550℃烧结5分钟制备得到超薄BFO层；2)BiVO4层：500rpm转速下甩胶10秒然后3000rpm转速下甩胶30秒。甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先350℃烘干1～3分钟，最后在O2气氛下通过快速退火炉在520℃烧结5分钟制备得到超薄BVO层。甩胶煅烧第一层后先退火一次，以后每层都退火一次，一共甩胶8层BiVO4，最后得到BiVO4/BiFeO3异质结薄膜。
制备的异质结薄膜在带有1mm*0.5mm孔洞的掩膜板的遮挡下用物理溅射方法在膜面上沉积1mm*0.5mm的Au上电极。
实施例4
首先将Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O(摩尔比按照Bi∶Fe＝1∶1)以DMF为溶剂配置BiFeO3前驱体溶液，前驱体溶液的浓度为0.2mL/cm2。将Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3(摩尔比按照Bi∶V＝1∶1)按比例并在柠檬酸、乙酸和乙醇胺的辅助下完全溶于DMF中，获得BiVO4前驱体溶液。然后通过甩胶法制备BiVO4/BiFeO3异质结薄膜。甩胶条件为：1)超薄BiFeO3层的制备：500rpm转速下甩胶10秒然后3000rpm转速下甩胶30秒。甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先350℃烘干1～3分钟，最后在O2气氛下通过快速退火炉在550℃烧结5分钟制备得到超薄BFO层；2)BiVO4层：500rpm转速下甩胶10秒然后3000rpm转速下甩胶30秒。甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先350℃烘干1～3分钟，最后在O2气氛下通过快速退火炉在520℃烧结5分钟制备得到超薄BVO层。甩胶煅烧第一层后先退火一次，以后每层都退火一次，一共甩胶8层BiVO4，最后得到BiVO4/BiFeO3异质结薄膜。以ITO导电玻璃基板为基底，通过化学溶液沉积法制备得到BiVO4/BiFeO3异质结薄膜，具体包括以下步骤：
在带有1mm*0.5mm孔洞的掩膜板的遮挡下物理溅射方法在BiVO4铁电薄膜上沉积1mm*0.5mm的ITO电极即可。
实施例5
首先将Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O(摩尔比按照Bi∶Fe＝1∶1)以DMF为溶剂配置BiFeO3前驱体溶液，前驱体溶液的浓度为0.2mL/cm2。将Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3(摩尔比按照Bi∶V＝＝1∶1)按比例并在柠檬酸、乙酸和乙醇胺的辅助下完全溶于DMF中，获得BiVO4前驱体溶液。然后通过甩胶法制备BiVO4/BiFeO3异质结薄膜。甩胶条件为：1)超薄BiFeO3层的制备：500rpm转速下甩胶10秒然后3000rpm转速下甩胶30秒。甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先350℃烘干1～3分钟，最后在O2气氛下通过快速退火炉在550℃烧结5分钟制备得到超薄BFO层；2)BiVO4层：500rpm转速下甩胶10秒然后3000rpm转速下甩胶30秒。甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先350℃烘干1～3分钟，最后在O2气氛下通过快速退火炉在520℃烧结5分钟制备得到超薄BVO层。甩胶煅烧第一层后先退火一次，以后每层都退火一次，一共甩胶8层BiVO4，最后得到BiVO4/BiFeO3异质结薄膜。
在带有1mm*0.5mm孔洞的掩膜板的遮挡下物理溅射方法在BVO铁电薄膜上的沉积1mm*0.5mm的Pt电极即可。
本发明所涉及的薄膜X射线衍射仪器用的是D/max2550VL/PC型X射线衍射仪；测试光学透过曲线所用仪器是紫外-可见光分光光度计；光伏性能测试所用仪器为XQ350W可调型氙灯光源和KEITHLEY2400源表；漏电曲线测试所用仪器为KEITHLEY2400源表。
图1为实施例3制备的FTO基底上BiVO4/BiFeO3异质结薄膜的X射线衍射图谱以及BiVO4和BiFeO3薄膜的X射线衍射图谱。图谱中可以看到FTO及BiVO4/BiFeO3异质结薄膜的衍射峰。BiVO4/BiFeO3异质结薄膜呈现单斜多晶和菱方多晶钙钛矿结构。
图2为实施例1制备的FTO基底上BiVO4薄膜、BiFeO3薄膜和BiVO4/BiFeO3异质结薄膜的光学透过曲线。可以看到FTO基底上在和FTO之间植入一层超薄BiFeO3层并未明显改变BiVO4的光吸收，BiVO4/BiFeO3异质结薄膜和BiVO4薄膜一样都在紫外及可见光的蓝绿色光光谱段有明显的吸收。
图3为实施例2制备的FTO基底上BiVO4/BiFeO3异质结薄膜和BiVO4薄膜分别在暗场及光照(100mW/cm2)下的J-V曲线。对比明暗场下的J-V可以看到FTO基底上BiVO4/BiFeO3异质结薄膜和BiVO4薄膜都具有明显的光伏效应。BiVO4结构在BiFeO3加入后开路电压从AVT的-0.2V增加到1V，共增加了5倍，而且电流密度从-60μA/cm2增加到140μA/cm2，电流提高了两倍以上。光伏效率提高了一个数量级以上，达到3.9×10-2％。光伏电压的明显大于外延铁电薄膜的光伏电压(0.8～0.9V)。光伏电流大于传统的单纯多晶铁电薄膜所测得电流。表明了本发明制备的FTO基底上的BiVO4铁电薄膜具有较优越的光伏性能。
图4为实施例1制备的FTO基底上BVO铁电薄膜漏电流曲线。从曲线可以看到本发明制备的FTO基底上的BiVO4/BiFeO3异质结薄膜和BiVO4铁电薄膜显示出明显的单向导电性具有类似于二极管的特性(diode-like behavior)，但是两者的方向发生了明显的转向，说明超薄BiFeO3能够使BiVO4薄膜的光伏效应进行改善和得到控制。本发明做制备的超薄BiFeO3薄膜及BiVO4/BiFeO3异质结薄膜在太阳能电池、微电子及MEMS中电流的控制方面具有很大地应用前景。
用本发明的方法能够以低的成本在FTO导电玻璃上制备出一致性高，重复性好的钙钛矿结构的BiVO4/BiFeO3异质结薄膜。所制备超薄BiFeO3铁电层能够对无机太阳能电池的光伏效应进行转向并得到极大的改善。所制备的异质结薄膜具有较优越的光伏特性并具有类似于二极管的单向导电特性，这些对超薄BiFeO3铁电层和BiVO4/BiFeO3异质结薄膜在太阳能电池及光电子领域中应用具有重大的意义。
Claims (1)
1.一种钒酸铋/铁酸铋异质结薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：BiFeO3和BiVO4的前驱体溶液配制：
将Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O按Bi:Fe摩尔比为1:1溶解到N,N-二甲基甲酰胺中得到BiFeO3前驱体溶液(BFO前驱体溶液)，
将Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3按Bi:V摩尔比为1:1溶解到N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，以柠檬酸、乙酸和乙醇胺为辅助溶剂的混合溶剂中得到BiVO4前驱体溶液(BVO前驱体溶液)；
步骤2：采用化学溶液沉积法将BiFeO3前驱体溶液在玻璃基板上沉积得到厚度5～30nm的超薄BFO铁电薄膜；
步骤3：采用化学溶液沉积法将BiVO4前驱体溶液沉积在步骤2得到沉积有超薄BFO铁电薄膜的玻璃基板上，沉积厚度为150nm～200nm，即得到BVO/BFO异质结薄膜；
步骤4：通过物理溅射法在步骤3得到的BVO/BFO异质结薄膜上沉积上电极，即制备得到太阳能电池的上电极；
所述的玻璃基板可以是FTO导电玻璃或ITO导电玻璃，所述的上电极可以是Au电极、ITO电极或AZO背反射电极。
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