CN103107242B - 在玻璃基板上制备钒酸铋太阳能电池的方法 - Google Patents

在玻璃基板上制备钒酸铋太阳能电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在FTO基板上制备钒酸铋(BiVO4)太阳能电池的方法，包括：前驱体溶液的配制，单斜多晶钒酸铋薄膜的制备。使用玻璃基板作为基底，通过化学溶液沉积法制备钙钛矿结构BiVO4氧化物薄膜，然后通过物理溅射法在薄膜上制备上电极即可获得BiVO4太阳能电池。与现有技术相比，本发明能够以低的成本在玻璃基板上制备出一致性高，重复性好的钙钛矿结构BiVO4薄膜。该薄膜具有良好的光伏特性并具有二极管的单向导电特性，可以满足微电子及光电器件对半导体材料的要求，对钒酸铋薄膜的制备技术有重大的促进作用。

Description

在玻璃基板上制备钒酸铋太阳能电池的方法
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，尤其是涉及一种化学溶液沉积法在玻璃基板上制备钒酸铋薄膜太阳能电池的方法。
背景技术
太阳能作为一种清洁可再生能源在近年来已经逐渐成为一大研究热点。光伏发电是太阳能利用的一种有效方式，是近年来发展最快、最具活力、最受瞩目的研究领域。随着人们对太阳能利用的重视和太阳能技术的发展，光伏半导体材料的研发成为一个热门。光伏材料正向着工艺简单化和低成本化方向发展。
钒酸铋(化学式BiVO4，简称BVO)薄膜由于其原材料来源广，生产成本低，能带低(2.4～2.8eV)已经在光催化和光解水领域得到了广泛的应用，且BVO逐渐在光伏研究领域得到了越来越多的关注。目前，BVO薄膜的制备方法主要有固相法和化学溶液沉积法，但是固相法制备较为复杂且容易产生杂相，化学溶液沉积法具有制备工艺简单和成本低的特点，但是目前BVO薄膜的化学溶液沉积技术伴随着高成本的乙酰丙酮氧钒或者是强酸的使用，不利于降低沉本和环保，因此限制了BVO薄膜的大规模应用。
迄今为止，尚没有一种开发出一种成本低且环保的在玻璃基地上制备BVO薄膜及其太阳能电池的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种成本低且环保的化学溶液沉积法在玻璃基板上制备钒酸铋太阳能电池的方法，制备方法简便，有利于降低成本，制备的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。
为实现这一目的，本发明的技术方案中，首先选用导电玻璃基板作为基底，采用化学溶液沉积法制备钙钛矿结构BVO薄膜，然后通过物理溅射法在薄膜制备上电极，获得BVO太阳能薄膜电池。
本发明的方法具体包括以下步骤：
步骤1：选用导电玻璃基板为基底，将切割好的基底清洗干净后，加热烘干；
步骤2：配制BVO前驱体溶液，将Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3(摩尔比按照Bi∶V＝1∶1)分别溶于N，N-二甲基甲酰胺中，以柠檬酸，乙酸为辅助溶剂，在40℃下磁力搅拌得到绿色溶液，再缓慢滴加适量的乙醇胺并进一步地进行磁力搅拌最终获得蓝色前驱体溶液。
步骤3：利用步骤2所得到的前驱体溶液，采用化学溶液沉积法制备BVO薄膜，获得单斜多晶BVO薄膜。
步骤4：在步骤3得到的薄膜上，通过物理溅射法制备薄膜的上电极。
本发明中所述的化学溶液沉积法，主要包括以下具体步骤：
a、利用甩胶机将前驱体溶液甩胶到基板上，控制转速为500rpm甩胶10秒然后在3000～4000rpm转速下甩胶30秒；
b、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，然后在O2气氛下通过快速退火炉在480～520℃烧结5min；
c、甩胶煅烧第一层后先退火一次，以后每层退火一次，重复这个过程使薄膜达到预定的厚度，得到BVO薄膜。
本发明所制备的BVO多晶薄膜与传统的钒酸铋薄膜相比，优点有：1.由于在配制前驱体溶液时以低成本的Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3为溶质，以N，N-二甲基甲酰胺、柠檬酸、乙酸和乙醇胺为辅助溶剂，可以有效的降低生产成本且有利于环保。2.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。3.所制备的BVO薄膜具有单斜多晶结构，没有产生杂相，且具有良好的光伏效应。4.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BVO薄膜，对BVO薄膜成本的降低及工业化应用具有重要影响。本发明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，对BVO薄膜在太阳能电池及光电子领域中应用具有重大的意义。
本发明中的导电玻璃基片可以是FTO或ITO。
本发明中的上电极可以是Au、ITO或AZO。
附图说明
图1为本发明在FTO基底上所沉积BVO薄膜的X射线衍射图；
图2为本发明在FTO基底上所沉积BVO薄膜的光学透过曲线，内嵌图为推算其能带的(αhv)2-hv曲线；
图3为本发明制备出的Au/BVO/FTO电池结构在暗场及光照(100mW/cm2)下的J-V曲线；
图4为本发明制备出的FTO基底上BVO薄膜在-1.5V～+1.5V电压下的漏电流曲线。
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
将Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3(摩尔比按照Bi∶V＝1∶1)按比例在柠檬酸、乙酸和乙醇胺的辅助下溶于DMF中，获得深蓝色且稳定的前驱体溶液。然后通过甩胶法制备薄膜。甩胶条件为：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。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，得到BVO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
Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3(摩尔比按照Bi∶V＝1∶1)按比例在柠檬酸、乙酸和乙醇胺的辅助下溶于DMF中，获得深蓝色且稳定的前驱体溶液。然后通过甩胶法制备薄膜。甩胶条件为：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。甩胶煅烧第一层后先退火一次，以后每层退火一次，一共甩胶8层，得到BVO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3
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，获得深蓝色且稳定的前驱体溶液。然后通过甩胶法制备薄膜。甩胶条件为：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。甩胶煅烧第一层后先退火一次，以后每层退火一次，一共甩胶8层，得到BVO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4
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，获得深蓝色且稳定的前驱体溶液。然后通过甩胶法制备薄膜。以ITO导电玻璃基板为基底，通过化学溶液沉积法制备得到BVO薄膜，甩胶条件为：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。甩胶煅烧第一层后先退火一次，以后每层退火一次，一共甩胶8层，得到BVO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薄膜上沉积1mm×0.5mm的ITO电极即可。
实施例5
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，获得深蓝色且稳定的前驱体溶液。然后通过甩胶法制备薄膜。以ITO导电玻璃基板为基底，通过化学溶液沉积法制备得到BVO薄膜，甩胶条件为：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。甩胶煅烧第一层后先退火一次，以后每层退火一次，一共甩胶8层，得到BVO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BVO薄膜的X射线衍射图谱。BVO薄膜呈现单一的单斜钙钛矿晶体结构。
图2为实施例1制备的FTO基底上BVO薄膜的光学透过曲线，内嵌图为推算其能带的(αhv)2-hv曲线。可以看到FTO基底上BVO薄膜在紫外及可见光的蓝绿色光光谱段有明显的吸收。另外根据Tauc公式可以推算出其带隙大小约为2.66eV(见内嵌图)，处在可见光能量范围。
图3为实施例2制备的FTO基底上BVO薄膜在暗场及光照(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BVO薄膜具有明显的光伏效应，其开路电压约为0.2V，短路电流约为63μA/cm2。短路电流优于Pt/Ti/SiO2/Si基底上生长的多晶BiFeO3薄膜，表明了本发明制备的FTO基底上的BVO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薄膜在-1.5V～+1.5V电压下的I-V曲线。从曲线可以看到本发明制备的FTO基底上的BVO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-likebehavior)，表明本发明制备的薄膜在微电子及MEMS中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BVO薄膜。所制备的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BVO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 (2)

1.一种在玻璃基板上制备钒酸铋太阳能电池的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：配制钒酸铋前驱体溶液，将Bi(NO3)3·5H2O和NH3VO3摩尔比按照Bi:V＝1:1分别溶于N,N-二甲基甲酰胺中，以柠檬酸，乙酸为辅助溶剂，在40℃下磁力搅拌得到绿色溶液，再缓慢滴加乙醇胺并进一步地进行磁力搅拌最终获得蓝色前驱体溶液；
步骤2：利用步骤1得到前驱体溶液，采用化学溶液沉积法在导电玻璃基板上沉积获得BiVO4薄膜；
步骤3：在步骤2得到的BiVO4薄膜上，通过物理溅射法制备薄膜的上电极；
步骤2中所述的导电玻璃基板是FTO或ITO；
所述的化学溶液沉积法，主要包括以下具体步骤：
a、利用甩胶机将前驱体溶液甩胶到基板上，控制转速为500rpm甩胶10秒然后在3000～4000rpm转速下甩胶30秒；
b、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，然后在O2气氛下通过快速退火炉在480～520℃烧结5min；
c、甩胶煅烧第一层后先退火一次，以后每层退火一次，重复这个过程使薄膜达到预定的厚度，得到BiVO4薄膜。
2.根据权利要求1所述的在玻璃基板上制备钒酸铋太阳能电池的方法，其特征在于，步骤3中所述的上电极是Au、ITO或AZO。
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