CN114122181A - 一种铁电-半导体耦合光伏器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光伏器件技术领域，尤其涉及一种铁电‑半导体耦合光伏器件及其制备方法。本发明提供了一种铁电‑半导体耦合光伏器件，包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型铁电材料层、第二载流子传输层和电极层；或包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型非铁电材料层、铁电材料层、第二载流子传输层和电极层。所述铁电‑半导体耦合光伏器件具有较高的光电转化效率和较低的制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及光伏器件技术领域，尤其涉及一种铁电-半导体耦合光伏器件及其制备方法。
背景技术
随着世界经济的发展和人口的增长，以及碳达峰、碳中和的目标，都需要发展清洁能源。太阳能是一种清洁、无污染、取之不尽、用之不竭的可再生能源，不产生任何的环境污染。
在太阳能的有效利用技术中，太阳能光电转变器件是发展最快、最具活力的技术，为此，人们研制和开发了太阳能电池。太阳能电池工作的原理如下：太阳光照在由半导体光伏材料组成的半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
太阳能电池种类很多，以无机铜基硒硫化物为吸光层材料制备的太阳电池理论转换效率可达32.8％，同时具有原材料丰富、安全无毒、价格低廉和高光吸收系数等优点，是一种理想的新型太阳电池，研究前景可观。但是无机铜基硒硫化物太阳电池的器件结构中光学吸收层不能与传统的N型材料实现良好的晶格结构匹配和能带匹配。因此，难以实现激子的有效分离和电荷的高效传输。
针对上述问题，铁电光伏的电池开路电压不受限于铁电材料光学带隙，另外铁电材料兼具机械、化学、热稳定性且制造成本低等优点，因此在太阳能转化应用上越来越多地收到国内外研究者的关注。但是传统铁电材料吸光能力弱、电导率低，铁电太阳电池虽然具有高的开路电压，且存在严重的载流子复合问题，进而导致其低的光电转换效率，进而限制了其广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁电-半导体耦合光伏器件及其制备方法，所述铁电-半导体耦合光伏器件具有高的光电转化效率。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铁电-半导体耦合光伏器件，包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型铁电材料层、第二载流子传输层和电极层；
或包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型非铁电材料层、铁电材料层、第二载流子传输层和电极层。
优选的，所述P型光学吸收层为P型铜基光学吸收层；
所述P型铜基光学吸收层的材料为铜铟镓硒硫、铜钡锡硫(硒)、铜锰锡硫(硒)和铜锌锡硫(硒)中的一种或几种。
优选的，所述N型铁电材料层的材料为铌酸钾钠基无铅压电材料、钛酸钡和铁酸铋中的一种或几种。
优选的，所述N型铁电材料层和铁电材料层的厚度独立的为1～100nm。
优选的，所述N型非铁电材料层的材料为CdS和/或ZnS。
优选的，所述N型非铁电材料层的厚度为5～100nm。
优选的，所述第一载流子传输层的材料为Mo、氟掺杂氧化锡、氧化铟锡和掺杂铝的氧化锌中的一种或几种；
所述第二载流子传输层为透明导电氧化物薄膜层；
所述透明导电氧化物薄膜层的材料为AZO、FTO和ITO中的一种或几种。
优选的，所述电极层的材料为Au、Ni和Al中的一种或几种。
本发明还提供了上述技术方案所述的铁电-半导体耦合光伏器件的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上依次层叠制备第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型铁电材料层、第二载流子传输层和电极层，得到所述铁电-半导体耦合光伏器件；
或在衬底上依次层叠制备第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型非铁电材料层、铁电材料层、第二载流子传输层和电极层，得到所述铁电-半导体耦合光伏器件。
优选的，制备所述N型铁电材料层或铁电材料层的方法独立的为脉冲激光沉积法或磁控溅射法。
本发明提供了一种铁电-半导体耦合光伏器件，包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型铁电材料层、第二载流子传输层和电极层；或包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型非铁电材料层、铁电材料层、第二载流子传输层和电极层。
本发明所述的铁电-半导体耦合光伏器件中的P型光学吸收层和N型铁电材料层之间，或者所述P型光学吸收层和N型非铁电材料层之间形成PN结场，所述的N型铁电材料层提供大剩余极化强度和铁电退极化场，通过P-N结场、铁电退极化场多物理场耦合增强效应提高光生激子分离与载流子传输能力，降低复合，增加太阳能电池的开路电压，最终大幅提升电池的光电转换效率。同时，本发明中的N型铁电材料层或铁电材料层具有高的带隙和强的载流子传导能力，所述N型铁电材料层或铁电材料层也可以同时承担N型层和高阻挡层的作用，可以避免传统铜基光伏器件中N型非铁电材料层和高阻挡层的使用，降低材料成本和制备成本。
附图说明
图1为实施例1和3所述铁电-半导体耦合光伏器件的结构示意图，其中，1-衬底，2-第一载流子传输层，3-P型光学吸收层，4-N型铁电材料层，5-第二载流子传输层和6-电极层；
图2为实施例2所述铁电-半导体耦合光伏器件的结构示意图，其中，11-衬底，21-第一载流子传输层，31-P型光学吸收层，41-N型非铁电材料层，51-铁电材料层，61-第二载流子传输层和71-电极层；
图3为实施例1所述N型铁电材料BaTiO3层的压电力测试结果图；
图4为实施例1所述N型铁电材料BaTiO3层的的铁电回线(a)和蝴蝶回线(b)。
具体实施方式
本发明提供了一种铁电-半导体耦合光伏器件，包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型铁电材料层、第二载流子传输层和电极层；
或包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型非铁电材料层、铁电材料层、第二载流子传输层和电极层。
本发明提供了一种铁电-半导体耦合光伏器件，包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型铁电材料层、第二载流子传输层和电极层。
在本发明中，所述衬底优选为刚性衬底或柔性衬底；所述刚性衬底优选为玻璃衬底或不锈钢衬底；所述玻璃衬底优选为高钠玻璃衬底；所述柔性衬底优选为聚酰亚胺柔性衬底。
在本发明中，当所述衬底为刚性衬底时，所述刚性衬底的厚度优选为1～5mm，更优选为1～3mm，最优选为1～2mm；当所述衬底为柔性衬底时，所述柔性衬底的厚度优选为10μm～2mm，更优选为10μm～1mm，最优选为10～500μm。
在本发明中，所述第一载流子传输层的材料优选为Mo、氟掺杂氧化锡(FTO)、氧化铟锡(ITO)和掺杂铝的氧化锌(AZO)的一种或几种，更优选为Mo；当所述第一载流子传输层的材料为上述具体选择中的两种以上时，本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。
在本发明中，所述第一载流子传输层的厚度优选为200～1500nm，更优选为200～1000nm，最优选为500～1000nm。
在本发明中，所述P型光学吸收层优选为P型铜基光学吸收层；所述P型铜基光学吸收层的材料优选为铜铟镓硒硫(CIGS)、铜钡锡硫(硒)(CBTS)、铜锰锡硫(硒)(CMTS)和铜锌锡硫(硒)(CZTS)中的一种或几种，更优选为CIGS或CBTS；当所述P型铜基光学吸收层的材料为上述具体选择中的两种以上时，本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。
在本发明中，所述P型光学吸收层的厚度优选为200～3000nm，更优选为200～2500nm，最优选为500～2000nm。
在本发明中，所述N型铁电材料层的材料为铌酸钾钠基无铅压电材料((K,Na)NbO3)、钛酸钡(BaTiO3)和铁酸铋(BiFeO3)中的一种或几种，更优选为BaTiO3或BiFeO3；当所述N型铁电材料层的材料为上述具体选择中的两种以上时，本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。
在本发明中，所述N型铁电材料的厚度优选为1～100nm，更优选为10～80nm，最优选为30～60nm。
在本发明中，所述第二载流子传输层优选为透明导电氧化物薄膜层；所述透明导电氧化物薄膜层的材料优选为AZO和/或FTO；当所述透明导电氧化物薄膜层的材料为AZO和FTO时，本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。
在本发明中，所述第二载流子传输层的厚度优选为50～1500nm，更优选为200～1000nm，最优选为200～500nm。
在本发明中，所述电极层的材料优选为Au、Ni和Al中的一种或几种；当所述电极层的材料为上述具体选择中的两种以上时，所述电极层优选为每中电极材料进行层叠设置，例如，所述电极层具体为依次层叠设置的Ni层、Al层和Ni层。
在本发明中，所述电极层的厚度优选为50～1500nm，更优选为200～1000nm，最优选为500～1000nm。
在本发明中，所述铁电-半导体耦合光伏器件在进行光电转化时的工作流程为P型光学吸收层吸收光，将光子转化为光生载流子，在PN结场和铁电退极化场的共同作用下，将光生载流子分离为空穴和电子，PN结场和铁电退极化场的共同作用下空穴传输到紧挨衬底的载流子层中，电子传输到第二载流子传输层中，被电极层收集，传输到外电路中，为负载提供所需的电子，带动负载工作。
本发明提供了一种铁电-半导体耦合光伏器件，包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型非铁电材料层、铁电材料层、第二载流子传输层和电极层。
在本发明中，对所述衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、第二载流子传输层和电极层的限定优选参考上述技术方案对所述衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、第二载流子传输层和电极层的限定。
在本发明中，所述N型非铁电材料层的材料优选为CdS和/或ZnS，当所述N型非铁电材料层的材料为CdS和ZnS时，本发明对所述CdS和ZnS的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。
在本发明中，所述N型非铁电材料层的厚度优选为5～100nm，更优选为20～80nm，最优选为40～60nm。
在本发明中，所述铁电材料层的材料优选为(K,Na)NbO3、BaTiO3和BiFeO3中的一种或几种。
在本发明中，所述铁电材料层的厚度优选为1～100nm，更优选为10～80nm，最优选为30～60nm。
本发明还提供了上述技术方案所述的铁电-半导体耦合光伏器件的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上依次层叠制备第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型铁电材料层、第二载流子传输层和电极层，得到所述铁电-半导体耦合光伏器件；
或在衬底上依次层叠制备第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型非铁电材料层、铁电材料层、第二载流子传输层和电极层，得到所述铁电-半导体耦合光伏器件。
在衬底上依次层叠制备第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型铁电材料层、第二载流子传输层和电极层，得到所述铁电-半导体耦合光伏器件。
在本发明中，制备所述第一载流子传输层前，优选对所述衬底进行清洗；本发明对所述清洗的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的半导体工业标准的衬底清洗工艺进行清洗即可。
在本发明中，制备所述第一载流子传输层的方式优选为溅射法；本发明对所述溅射法的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明的具体实施例中，当所述第一载流子传输层的材料为Mo时，所述溅射的温度为室温，直流电压为400V，电流为0.7A。
在本发明中，制备所述P型光学吸收层的方式优选为三步共蒸发法；本发明对所述三步共蒸发法的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
制备得到所述P型光学吸收层后，本发明还优选包括对所述P型光学吸收层进行硫化；所述硫化优选在含硫气氛中进行；本发明对所述硫化的具体过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，制备所述N型铁电材料层的方式优选为脉冲激光沉积或磁控溅射法；本发明对所述脉冲激光沉积或磁控溅射的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明的具体实施例中，所述磁控溅射的温度为室温，溅射气氛为氩气，溅射功率为1.19W/cm2，靶基距为160mm，时间为20min。
在本发明中，制备所述第二载流子传输层的方式优选为磁控溅射；本发明对所述磁控溅射的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明的具体实施例中，所述此空间溅射的温度为室温，溅射气氛为氩气，溅射功率为1.19W/cm2，靶基距为160mm，溅射时间为30～65min。
在本发明中，制备所述电极层的方式优选为直流溅射；本发明对所述直流溅射的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明的具体实施例中，所述直流溅射的温度为室温，直流电压为400V，电流为0.7A。
或本发明所述的铁电-半导体耦合光伏器件的制备方法包括在衬底上依次层叠制备第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型非铁电材料层、铁电材料层、第二载流子传输层和电极层，得到所述铁电-半导体耦合光伏器件。
在本发明中，对衬底进行清洗以及制备第一载流子传输层、P型光学吸收层、铁电材料层、第二载流子传输层和电极层的过程优选参考上述技术方案所述的制备过程，在此不再进行赘述。
在本发明中，制备所述N型非铁电材料层的方式优选为化学水浴法；本发明对所述化学水浴法的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
下面结合实施例对本发明提供的铁电-半导体耦合光伏器件及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
如图1所示，所述铁电-半导体耦合光伏器件包括由下到上依次层叠设置的衬底(高钠玻璃)、第一载流子传输层(Mo层，厚度为800nm)、P型光学吸收层(CIGS层，厚度为2000nm)、N型铁电材料层(BaTiO3层，厚度为5nm)、第二载流子传输层(AZO导电金属氧化物层，厚度为500nm)和电极层(Au层，厚度为1000nm)；
制备过程：
通过半导体工业标准的衬底清洗工艺清洗高钠玻璃衬底后，采用溅射法在所述高钠玻璃的上表面溅射Mo层(所述溅射的温度为室温，直流电压为400V，电流为0.7A)，得到Mo层；
采用三步共蒸发法，在所述Mo层表面生长CIGS层后，采用磁控溅射法，在所述CIGS层的表面制备N型铁电材料BaTiO3(所述磁控溅射的温度为室温，气氛为氩气，功率为1.19W/cm2，靶基距为160mm，溅射时间为20min)，采用磁控溅射制备AZO导电金属氧化物层(所述磁控溅射的温度为室温，溅射气氛为氩气，功率为1.19W/cm2，靶基距为160mm，溅射时间为50min)，采用直流溅射的方式制备Au层(所述直流溅射的温度为室温，直流电压为400V，电流为0.7A)，得到所述铁电-半导体耦合光伏器件；
将所述N型铁电材料BaTiO3层进行压电力测试，测试条件为室温、溅射气氛为氩气，功率为1.19W/cm2，靶基距为160mm，溅射时间为50min，测试结果如图3所示，由图3可知，所述BaTiO3具有铁电效应，能提供退极化场；
将所述N型铁电材料BaTiO3层进行铁电性能测试，测试条件为用压电力原子力显微镜的压电力模块进行测试，测试结果如图4所示，其中，a为所述N型铁电材料BaTiO3层的铁电回线，b为所述N型铁电材料BaTiO3层的蝴蝶曲线；由图4可知，所述BaTiO3具有铁电效应，能提供退极化场。
实施例2
如图2所示，所述铁电-半导体耦合光伏器件包括由下到上依次层叠设置的衬底(高钠玻璃)、第一载流子传输层(Mo层，厚度为800nm)、P型光学吸收层(CIGS层，厚度为2500nm)、N型非铁电材料层(N型CdS层，厚度为50nm)、铁电材料层(BiFeO3层，厚度为100nm)、第二载流子传输层(ITO导电金属氧化物层，厚度为100nm)和电极层(依次层叠设置的Ni/Al/Ni金属电极)。
制备方法：
制备方法参考实施例，区别仅在于，制备P型光学吸收层后，增加制备N型非铁电材料层，所述N型非铁电材料层的制备方式为化学水浴法。
实施例3
如图1所示，所述铁电-半导体耦合光伏器件包括由下到上依次层叠设置的衬底(高钠玻璃)、第一载流子传输层(Mo层，厚度为600nm)、P型光学吸收层(CBTS层(具体物质为铜铟镓硒)，厚度为1500nm)、N型铁电材料层(BaTiO3层，厚度为5nm)、第二载流子传输层(AZO导电金属氧化物层，厚度为200nm)和电极层(Au层，厚度为200nm)；
制备过程：
参考实施例1的制备过程，区别在于，得到P型光学吸收层后，对所述P型光学吸收层在含硫气氛中进行硫化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种铁电-半导体耦合光伏器件，其特征在于，包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型铁电材料层、第二载流子传输层和电极层；
或包括由下到上依次层叠设置的衬底、第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型非铁电材料层、铁电材料层、第二载流子传输层和电极层。
2.如权利要求1所述的铁电-半导体耦合光伏器件，其特征在于，所述P型光学吸收层为P型铜基光学吸收层；
所述P型铜基光学吸收层的材料为铜铟镓硒硫、铜钡锡硫(硒)、铜锰锡硫(硒)和铜锌锡硫(硒)中的一种或几种。
3.如权利要求1或2所述的铁电-半导体耦合光伏器件，其特征在于，所述N型铁电材料层的材料为铌酸钾钠基无铅压电材料、钛酸钡和铁酸铋中的一种或几种。
4.如权利要求3所述的铁电-半导体耦合光伏器件，其特征在于，所述N型铁电材料层和铁电材料层的厚度独立的为1～100nm。
5.如权利要求1或2所述的铁电-半导体耦合光伏器件，其特征在于，所述N型非铁电材料层的材料为CdS和/或ZnS。
6.如权利要求5所述的铁电-半导体耦合光伏器件，其特征在于，所述N型非铁电材料层的厚度为5～100nm。
7.如权利要求1所述的铁电-半导体耦合光伏器件，其特征在于，所述第一载流子传输层的材料为Mo、氟掺杂氧化锡、氧化铟锡和掺杂铝的氧化锌中的一种或几种；
所述第二载流子传输层为透明导电氧化物薄膜层；
所述透明导电氧化物薄膜层的材料为AZO、FTO和ITO中的一种或几种。
8.如权利要求1所述的铁电-半导体耦合光伏器件，其特征在于，所述电极层的材料为Au、Ni和Al中的一种或几种。
9.权利要求1～8任一项所述的铁电-半导体耦合光伏器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上依次层叠制备第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型铁电材料层、第二载流子传输层和电极层，得到所述铁电-半导体耦合光伏器件；
或在衬底上依次层叠制备第一载流子传输层、P型光学吸收层、N型非铁电材料层、铁电材料层、第二载流子传输层和电极层，得到所述铁电-半导体耦合光伏器件。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，制备所述N型铁电材料层或铁电材料层的方法独立为脉冲激光沉积法或磁控溅射法。
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