CN114141892A - 铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铁电‑半导体量子点耦合增强型太阳能电池及其制备方法。本发明的铁电极化增强的太阳能电池，通过在n型窗口层和p型光吸收层之间插入铁电层，铁电层的材料为BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、(K,Na)NbO3、BiFeO3、Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3中的任一种，铁电层的材料具有自发极化的特性，在外部极化电压的作用下，铁电材料内部电偶极子会发生定向排列，撤去极化电压后，铁电材料内部会仍然存在一个铁电退极化电场，将铁电层中铁电退极化电场引入太阳能电池内部，利用p‑n结内建电场和铁电退极化电场共同分离光生载流子从而实现电池光电转换效率的提升。

Description

铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及属于太阳能电池技术领域，尤其涉及一种铁电极化增强的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
能源紧缺是当前人类社会面临的一个重要问题。可持续绿色能源的发展是解决这一问题的关键。太阳能作为一种可持续利用的绿色无污染能源而引起了人们的广泛关注。
目前，硅基太阳能电池效率已接近其理论极限，且其成本昂贵。因此，新型高效率太阳能电池的研制极为重要。近年来，PbS半导体胶体量子点太阳能电池因其较宽的光谱响应、可溶液制备、高稳定性和低成本等特点而引起了人们的广泛关注。通过界面钝化和器件结构调控等手段，PbS半导体胶体量子点基太阳能电池当前的认证效率已达12.01％，但是如何进一步提高其光电转换效率仍然是一个难题。
基于目前的太阳能电池存在的技术缺陷，有必要对此进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池及其制备方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，包括：
衬底；
n型窗口层，其位于所述衬底表面；
铁电层，其位于所述n型窗口层远离所述衬底一侧的表面；
p型光吸收层，其位于所述铁电层远离所述衬底一侧的表面；
顶电极，其位于所述p型光吸收层远离所述衬底一侧的表面；
其中，所述铁电层的材料为BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、La掺杂的Pb(Zr,Ti)O3、(K,Na)NbO3、BiFeO3、Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3中的任一种。
优选的是，所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，所述n型窗口层的材料为SnO2、TiO2、ZnO中的任一种。
优选的是，所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，所述p型光吸收层的材料为PbS量子点、EDT改性的PbS量子点、PbSe量子点中的任一种。
优选的是，所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，所述顶电极包括Au电极、Ag电极、Al电极中的任一种。
优选的是，所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，所述衬底包括FTO导电玻璃衬底、ITO导电玻璃衬底中的任一种。
优选的是，所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，所述n型窗口层的厚度为50～500nm；
所述铁电层的厚度为5～100nm；
所述p型光吸收层的厚度为50～500nm。
第二方面，本发明还提供了一种所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底表面制备n型窗口层；
在所述n型窗口层远离所述衬底一侧的表面制备铁电层；
在所述铁电层远离所述衬底一侧的表面制备p型光吸收层；
在所述p型光吸收层远离所述衬底一侧的表面制备顶电极。
优选的是，所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，采用脉冲激光沉积法、磁控溅射法或溶胶凝胶法在所述衬底表面制备得到n型窗口层；
采用脉冲激光沉积法、磁控溅射法或溶胶凝胶法在所述n型窗口层表面制备得到铁电层；
采用旋涂法在所述铁电层表面制备得到p型光吸收层；
采用真空蒸镀法、电子束蒸发法或磁控溅射法在所述p型光吸收层表面制备得到顶电极。
优选的是，所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，若所述n型窗口层的材料为ZnO，采用脉冲激光沉积法制备得到n型窗口层，具体制备方法为：以ZnO陶瓷作为靶材，控制衬底温度为100～700℃、脉冲激光能量为200～600mJ/Pulse、氧压为0～8Pa、沉积时间为3～60min，在衬底表面沉积形成n型窗口层；
若所述铁电层的材料为Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3，采用脉冲激光沉积法制备得到铁电层，具体制备方法为：以Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3陶瓷作为靶材，控制衬底温度为500～700℃、脉冲激光能量为200～600mJ/Pulse、氧压为1～20Pa、沉积时间为3～60min，在n型窗口层表面制备得到铁电层。
优选的是，所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，若所述p型光吸收层的材料为EDT改性的PbS量子点，所述p型光吸收层的制备方法为：
配制PbS量子点溶液；
将PbS量子点溶液旋涂在铁电层表面；
再于PbS量子点层表面旋涂EDT溶液；
然后再于PbS量子点层表面旋涂乙腈溶液，即得到p型光吸收层。
本发明的一种铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，通过在n型窗口层和p型光吸收层之间插入铁电层，铁电层的材料为BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、(K,Na)NbO3、BiFeO3、Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3中的任一种，铁电层的材料具有自发极化的特性，在外部极化电压的作用下，铁电材料内部电偶极子会发生定向排列，撤去极化电压后，铁电材料内部会仍然存在一个铁电退极化电场，将铁电层中铁电退极化电场引入太阳能电池内部，利用p-n结内建电场和铁电退极化电场共同分离光生载流子从而实现电池光电转换效率的提升；
(2)本发明的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，铁电层的材料优选为Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3，该铁电材料具有较窄的光学带隙，较其他铁电材料BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、(K,Na)NbO3、BiFeO3的剩余极化强度大，因而器件内部具有更大的铁电退极化电场，实现光生载流子的更有效分离和传输，进而提高电池光电转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例1中制备得到的p型光吸收层的XRD图谱；
图3为本发明实施例1中制备得到的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池在黑暗和一个标准太阳光照下的J-V曲线图；
图4为本发明实施例2中制备得到的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池在铁电层处于不同极化状态时的J-V曲线图；
图5为本发明实施例3中制备得到的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池在黑暗和一个标准太阳光照下的J-V曲线图；
图6为对比例1中制备得到的PLZT薄膜的电滞回线图；
图7为对比例1中制备得到的PLZT薄膜的透射光谱图；
图8为对比例1中制备得到的太阳能电池在光照下的J-V曲线图；
图9为对比例2中制备得到的BFO薄膜、以及对比例3中制备得到的BCFMO薄膜的电滞回线图；
图10为对比例2中制备得到的BFO薄膜、以及对比例3中制备得到的BCFMO薄膜的透射光谱图；
图11为对比例2～3中制备得到的太阳能电池在光照下的J-V曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，包括：
衬底1；
n型窗口层2，其位于衬底1表面；
铁电层3，其位于n型窗口层2远离衬底1一侧的表面；
p型光吸收层4，其位于铁电层3远离衬底1一侧的表面；
顶电极5，其位于p型光吸收层4远离衬底1一侧的表面；
其中，铁电层3的材料为BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、La掺杂的Pb(Zr,Ti)O3、(K,Na)NbO3、BiFeO3、Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3中的任一种。
需要说明的是，本申请的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，通过在n型窗口层和p型光吸收层之间插入铁电层，铁电层的材料为BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、(K,Na)NbO3、BiFeO3、Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3中的任一种，铁电层的材料具有自发极化的特性，在外部极化电压的作用下，铁电材料内部电偶极子会发生定向排列，撤去极化电压后，铁电材料内部会仍然存在一个铁电退极化电场，将铁电层中铁电退极化电场引入太阳能电池内部，利用p-n结内建电场和铁电退极化电场共同分离光生载流子从而实现电池光电转换效率的提升。
进一步的，铁电层3的材料优选为Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3，Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3铁电材料具有较窄的光学带隙，较其他铁电材料BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、(K,Na)NbO3、BiFeO3的剩余极化强度大，因而器件内部具有更大的铁电退极化电场，实现光生载流子的更有效分离和传输，进而提高电池光电转换效率。
在一些实施例中，n型窗口层2的材料为SnO2、TiO2、ZnO中的任一种。
在一些实施例中，p型光吸收层4的材料为PbS量子点、EDT改性的PbS量子点、PbSe量子点中的任一种。EDT即为1,2-乙二硫醇。
在一些实施例中，顶电极5包括Au电极、Ag电极、Al电极中的任一种。
在一些实施例中，衬底1包括FTO导电玻璃衬底、ITO导电玻璃衬底中的任一种。
在一些实施例中，n型窗口层2的厚度为50～500nm；
铁电层3的厚度为5～100nm；
p型光吸收层4的厚度为50～500nm。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供衬底；
S2、在衬底表面制备n型窗口层；
S3、在n型窗口层远离衬底一侧的表面制备铁电层；
S4、在铁电层远离衬底一侧的表面制备p型光吸收层；
S5、在p型光吸收层远离衬底一侧的表面制备顶电极。
在一些实施例中，采用脉冲激光沉积法、磁控溅射法或溶胶凝胶法在所述衬底表面制备得到n型窗口层；
采用脉冲激光沉积法、磁控溅射法或溶胶凝胶法在n型窗口层表面制备得到铁电层；
采用旋涂法在所述铁电层表面制备得到p型光吸收层；
采用真空蒸镀法、电子束蒸发法或磁控溅射法在所述p型光吸收层表面制备得到顶电极。
在一些实施例中，若n型窗口层的材料为ZnO，采用脉冲激光沉积法制备得到n型窗口层，具体制备方法为：以ZnO陶瓷作为靶材，控制衬底温度为100～700℃、脉冲激光能量为200～600mJ/Pulse、氧压为0～8Pa、沉积时间为3～60min，在衬底表面沉积形成n型窗口层；
若铁电层的材料为Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3，采用脉冲激光沉积法制备得到铁电层，具体制备方法为：以Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3陶瓷作为靶材，控制衬底温度为500～700℃、脉冲激光能量为200～600mJ/Pulse、氧压为1～20Pa、沉积时间为3～60min，在n型窗口层表面制备得到铁电层。
上述实施例中所用的Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3陶瓷靶材为市场上购买得到，本申请并未对Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3陶瓷靶材本身做出改进。
在一些实施例中，在衬底表面制备n型窗口层之前还包括：对衬底进行清洗之后高纯氮气吹干，然后制备n型窗口层；具体的清洗方法为：对衬底依次用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗，具体的每道清洗工艺清洗时间为10～20min，优选15min。
在一些实施例中，若p型光吸收层的材料为EDT改性的PbS量子点，p型光吸收层的制备方法为：
配制PbS量子点溶液；
将PbS量子点溶液旋涂在铁电层表面；
再于PbS量子点层(将PbS量子点溶液旋涂在铁电层表面自然形成PbS量子点层)表面旋涂EDT溶液；
然后再于PbS量子点层表面旋涂乙腈溶液，即得到p型光吸收层。
具体的，p型光吸收层的制备方法为：
(a)、配制浓度为10～80mg/mL的PbS量子点溶液用0.22μm的过滤头过滤；
(b)、然后用移液枪取20～100μLPbS量子点溶液，将量子点溶液滴在制备有铁电层的衬底上，立即旋涂，旋涂仪转速为500～4000rpm，旋涂时间为10～50s；
(c)、然后在旋涂有PbS量子点溶液的衬底上滴加质量分数为0.02％的EDT溶液(即1,2-乙二硫醇溶液，通过将1,2-乙二硫醇加入至乙腈中即得到EDT溶液)，继续旋涂，旋涂时转速为500～4000rpm，旋涂时间为10～50s；
(d)、继续在旋涂有EDT溶液的衬底上滴加乙腈溶液，然后旋涂，旋涂时转速为500～4000rpm，旋涂时间为10～50s；
(e)、重复步骤(b)至步骤(d)，直至EDT改性的PbS量子点薄膜厚度达到目标厚度；
(f)、将衬底置于加热台上于80～110℃下保温10min，得到干燥的EDT改性的PbS量子点薄膜。
具体的，上述PbS量子点溶液既可以在市场上购买，也可以自行配制，具体的配制方法为：在120℃氮气流环境下，将硫的前驱体(TMS)2S快速注入铅的前驱体中，反应维持5min后使溶液自然降至室温，待冷却至60℃时，加入正己烷溶解硫化铅量子点，即得到PbS量子点溶液，然后再将PbS量子点溶液进行后续的过滤处理。
在一些实施例中，顶电极的面积为0.001～0.1cm2。
本发明的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，采用脉冲激光沉积法、磁控溅射法或溶胶凝胶法制备得到n型窗口层、铁电层，采用旋涂法在得到p型光吸收层，采用真空蒸镀法、电子束蒸发法或者磁控溅射法等多种方法制备得到顶电极，制备工艺简单，制备得到的太阳能电池具有大幅提升的开路电压和短路电流密度。
以下进一步以具体实施例说明本申请的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法。
实施例1
本申请实施例提供了一种铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，包括：
衬底；
n型窗口层，其位于衬底表面
铁电层，其位于n型窗口层远离衬底一侧的表面；
p型光吸收层，其位于铁电层远离衬底一侧的表面；
顶电极，其位于p型光吸收层远离衬底一侧的表面；
其中，衬底为ITO透明导电玻璃衬底，n型窗口层为ZnO，铁电层材料为Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3，p型光吸收层为EDT改性的PbS量子点，顶电极为Au。
上述铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供ITO导电玻璃衬底，将ITO导电玻璃衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中清洗15min，随后用氮气吹干并立即置于脉冲激光沉积系统的真空腔中，然后安装ZnO靶材、Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3靶材；
S2、通过脉冲激光沉积法依次沉积ZnO薄膜(即n型窗口层)和Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3薄膜(即铁电层)，ZnO薄膜的具体制备工艺条件如下：生长温度720℃、生长氧压3.0Pa、沉积时间22min、激光能量和频率分别为250mJ/pulse和5Hz；Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3薄膜的具体制备工艺条件如下：生长温度720℃、生长氧压3.0Pa、沉积时间1min、激光能量和频率分别为350mJ/pulse和5Hz；
S3、p型光吸收层的制备：(a)、配制浓度为50mg/mL的PbS量子点溶液用0.22μm的过滤头过滤；(b)、然后用移液枪取25μL PbS量子点溶液，将量子点溶液滴在制备有铁电层的衬底上，立即旋涂，旋涂仪转速为500～4000rpm，旋涂时间为10～50s；(c)、然后在旋涂有PbS量子点溶液的衬底上滴加质量分数为0.02％的EDT溶液，继续旋涂，旋涂时转速为500～4000rpm，旋涂时间为10～50s；(d)、继续在旋涂有EDT溶液的衬底上滴加乙腈溶液，然后旋涂，旋涂时转速为500～4000rpm，旋涂时间为10～50s；(e)、重复步骤(b)至步骤(d)，直至EDT改性的PbS量子点薄膜厚度达到目标厚度260nm；(f)、将衬底置于加热台上于80～110℃下保温10min，得到干燥的EDT改性的PbS量子点薄膜；
S4、将步骤S3中制备得到的样品倒置于尺寸为0.5mm×0.5mm的方形掩模版上并置入蒸镀仪中，然后在钨舟中放入0.2g金线，抽真空至10-4Pa，开启加热，待Au线完全蒸发完毕，制备得到Au顶电极。
实施例2
本申请实施例提供了一种铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，包括：
衬底；
n型窗口层，其位于衬底表面
铁电层，其位于n型窗口层远离衬底一侧的表面；
p型光吸收层，其位于铁电层远离衬底一侧的表面；
顶电极，其位于p型光吸收层远离衬底一侧的表面；
其中，衬底为ITO透明导电玻璃衬底，n型窗口层为ZnO，铁电层材料为Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3，p型光吸收层为EDT改性的PbS量子点，顶电极为Au。
上述铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供ITO导电玻璃衬底，将ITO导电玻璃衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中清洗15min，随后用氮气吹干并立即置于脉冲激光沉积系统的真空腔中，然后安装ZnO靶材、Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3靶材；
S2、通过脉冲激光沉积法依次沉积ZnO薄膜(即n型窗口层)和Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3薄膜(即铁电层)，ZnO薄膜的具体制备工艺条件如下：生长温度720℃、生长氧压3.0Pa、沉积时间22min、激光能量和频率分别为250mJ/pulse和5Hz；Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3薄膜的具体制备工艺条件如下：生长温度720℃、生长氧压3.0Pa、沉积时间2min、激光能量和频率分别为350mJ/pulse和5Hz；
S3、p型光吸收层的制备：(a)、配制浓度为50mg/mL的PbS量子点溶液用0.22μm的过滤头过滤；(b)、然后用移液枪取25μLPbS量子点溶液，将量子点溶液滴在制备有铁电层的衬底上，立即旋涂，旋涂仪转速为3000rpm，旋涂时间为10～50s；(c)、然后在旋涂有PbS量子点溶液的衬底上滴加质量分数为0.02％的EDT溶液，继续旋涂，旋涂时转速为3000rpm，旋涂时间为25s；(d)、继续在旋涂有EDT溶液的衬底上滴加乙腈溶液，然后旋涂，旋涂时转速为3000rpm，旋涂时间为25s；(e)、重复步骤(b)至步骤(d)，直至EDT改性的PbS量子点薄膜厚度达到目标厚度260nm；(f)、将衬底置于加热台上于90℃下保温10min，得到干燥的EDT改性的PbS量子点薄膜；
S4、将步骤S3中制备得到的样品倒置于尺寸为0.5mm×0.5mm的方形掩模版上并置入蒸镀仪中，然后在钨舟中放入0.2g金线，抽真空至10-4Pa，开启加热，待Au线完全蒸发完毕，制备得到Au顶电极。
实施例3
本申请实施例提供了一种铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，包括：
衬底；
n型窗口层，其位于衬底表面
铁电层，其位于n型窗口层远离衬底一侧的表面；
p型光吸收层，其位于铁电层远离衬底一侧的表面；
顶电极，其位于p型光吸收层远离衬底一侧的表面；
其中，衬底为ITO透明导电玻璃衬底，n型窗口层为ZnO，铁电层材料为Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3，p型光吸收层为EDT改性的PbS量子点，顶电极为Au。
上述铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供ITO导电玻璃衬底，将ITO导电玻璃衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中清洗15min，随后用氮气吹干并立即置于脉冲激光沉积系统的真空腔中，然后安装ZnO靶材、Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3靶材；
S2、通过脉冲激光沉积法依次沉积ZnO薄膜(即n型窗口层)和Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3薄膜(即铁电层)，ZnO薄膜的具体制备工艺条件如下：生长温度720℃、生长氧压3.0Pa、沉积时间22min、激光能量和频率分别为250mJ/pulse和5Hz；Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3薄膜的具体制备工艺条件如下：生长温度720℃、生长氧压3.0Pa、沉积时间6min、激光能量和频率分别为350mJ/pulse和5Hz；
S3、p型光吸收层的制备：(a)、配制浓度为50mg/mL的PbS量子点溶液用0.22μm的过滤头过滤；(b)、然后用移液枪取25μLPbS量子点溶液，将量子点溶液滴在制备有铁电层的衬底上，立即旋涂，旋涂仪转速为3000rpm，旋涂时间为25s；(c)、然后在旋涂有PbS量子点溶液的衬底上滴加质量分数为0.02％的EDT溶液，继续旋涂，旋涂时转速为3000rpm，旋涂时间为25s；(d)、继续在旋涂有EDT溶液的衬底上滴加乙腈溶液，然后旋涂，旋涂时转速为3000rpm，旋涂时间为25s；(e)、重复步骤(b)至步骤(d)，直至EDT改性的PbS量子点薄膜厚度达到目标厚度260nm；；(f)、将衬底置于加热台上于90℃下保温10min，得到干燥的EDT改性的PbS量子点薄膜；
S4、将步骤S3中制备得到的样品倒置于尺寸为0.5mm×0.5mm的方形掩模版上并置入蒸镀仪中，然后在钨舟中放入0.2g金线，抽真空至10-4Pa，开启加热，待Au线完全蒸发完毕，制备得到Au顶电极。
对比例1
本对比例提供了一种太阳能电池，包括：
衬底；
光吸收层，其位于衬底的表面；
顶电极，其位于光吸收层远离衬底一侧的表面；
其中，衬底为FTO透明导电玻璃衬底，光吸收层为La掺杂Pb(Zr,Ti)O3，顶电极为Au。
上述太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、按化学计量比分别称取2.6076g三水合醋酸铅和0.0633g醋酸镧于烧杯中，然后向烧杯中倒入15mL冰醋酸溶液，在110℃下搅拌30min，使得三水合醋酸铅和醋酸镧完全溶解，为防止薄膜(即La掺杂Pb(Zr,Ti)O3薄膜)过程中铅的损失，配料时三水合醋酸铅要过量20％；
S2、待S1中溶液冷却到室温后，依次向其中加入0.8257g钛酸异丙酯和1.5162g丙醇锆，然后持续搅拌，搅拌过程中，往溶液中添加5mL去离子水从而促进水解反应的进行；
S3、向S2中溶液加入15mL正丙醇溶液，将其在室温下搅拌30min，得到淡黄色透明的PLZT溶胶，然后将所制备的PLZT溶胶静置24h后放入冰箱中(5℃)保存备用；
S4、将FTO导电玻璃衬底，将ITO导电玻璃衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中清洗15min，随后用氮气吹干，然后用旋涂法将PLZT溶胶旋涂至衬底表面，制备得到PLZT薄膜，最后将薄膜置于600～750℃的温度下退火30min，即得到光吸收层；
S5、将步骤S4中制备有光吸收层的衬底倒置于尺寸为0.5mm×0.5mm的方形掩模版上并置入蒸镀仪中，然后在钨舟中放入0.2g金线，抽真空至10-4Pa，开启加热，待Au线完全蒸发完毕，制备得到Au顶电极。
对比例2
本对比例提供了一种太阳能电池，包括：
衬底；
底电极，其位于衬底的表面；
光吸收层，其位于底电极远离衬底的表面；
顶电极，其位于光吸收层远离衬底一侧的表面；
其中，衬底为透明钛酸锶(STO)衬底，底电极为钌酸锶(SRO)，光吸收层为BiFeO3(BFO)，顶电极为ITO。
上述太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供钛酸锶(STO)衬底，将钛酸锶(STO)衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中清洗15min，随后用氮气吹干并立即置于脉冲激光沉积系统的真空腔中，然后安装钌酸锶(SRO)靶材、BiFeO3(BFO)靶材；
S2、通过脉冲激光沉积法依次沉积钌酸锶(SRO)薄膜(即底电极)和BiFeO3(BFO)薄膜(即光吸收层)；钌酸锶(SRO)薄膜的具体制备工艺条件如下：生长温度700℃、生长氧压7.0Pa、沉积时间30min、激光能量和频率分别为200mJ/pulse和5Hz；BiFeO3(BFO)薄膜的具体制备工艺条件如下：生长温度720℃、生长氧压3.0Pa、沉积时间60min、激光能量和频率分别为350mJ/pulse和5Hz；
S3、ITO顶电极的制备：通过脉冲激光沉积法在步骤S2中所制备BiFeO3(BFO)薄膜上面制备ITO顶电极；其中，ITO顶电极的具体制备工艺条件如下：以ITO为靶材，生长温度100℃、生长氧压1.0Pa、沉积时间30min、激光能量和频率分别为250mJ/pulse和5Hz。
对比例3
本对比例提供了一种太阳能电池，包括：
衬底；
底电极，其位于衬底的表面；
光吸收层，其位于底电极远离衬底的表面；
顶电极，其位于光吸收层远离衬底一侧的表面；
其中，衬底为透明钛酸锶(STO)衬底，底电极为钌酸锶(SRO)，光吸收层为Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3，顶电极为ITO顶电极。
上述太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供钛酸锶(STO)衬底，将钛酸锶(STO)衬底依次置于丙酮、乙醇、去离子水中清洗15min，随后用氮气吹干并立即置于脉冲激光沉积系统的真空腔中，然后安装钌酸锶(SRO)靶材、Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3(BCFMO)靶材；
S2、通过脉冲激光沉积法依次沉积钌酸锶(SRO)薄膜(即底电极)和Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3(BCFMO)薄膜(即光吸收层)；钌酸锶(SRO)薄膜的具体制备工艺条件如下：生长温度700℃、生长氧压7.0Pa、沉积时间30min、激光能量和频率分别为200mJ/pulse和5Hz；Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3(BCFMO)薄膜的具体制备工艺条件如下：生长温度720℃、生长氧压3.0Pa、沉积时间60min、激光能量和频率分别为350mJ/pulse和5Hz；
S3、ITO顶电极的制备：通过脉冲激光沉积法在步骤S2中所制备Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3(BCFMO)薄膜上面制备ITO顶电极；其中，ITO顶电极的具体制备工艺条件如下：以ITO为靶材，生长温度100℃、生长氧压1.0Pa、沉积时间30min、激光能量和频率分别为250mJ/pulse和5Hz。
性能测试
实施例1中制备得到的p型光吸收层的XRD图谱如图2所示，从图2中可以看到，薄膜中除了PbS量子点的(111)、(200)、(220)、(311)、(400)、(420)晶面的衍射峰出现外(根据JCPDS no.05-0592对比)，并没有其他晶面的衍射峰出现，这说明我们成功制备出了PbS薄膜。结合谢乐公式，可估算PbS量子点的平均晶粒尺寸为2.1nm。
图3为实施例1中制备得到的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池在黑暗和一个标准太阳光照下的J-V曲线。从图3中可以看到，太阳能电池的开路电压为0.47V，短路电流密度为26.46mA/cm2，光电转换效率为4％。
图4为实施例2中制备得到的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池在铁电层处于不同极化状态时，在黑暗和一个标准太阳光照下的J-V曲线。从图4中可以看到，当太阳能电池处于未极化状态时，器件的开路电压为0.46V，短路电流为25.84mA/cm2，光电转换效率为4.29％。当太阳能电池处于向下极化状态时，其性能最好(开路电压为0.45V，短路电流密度为31.57mA/cm2，光电转换效率为4.99％)。当太阳能电池处于向上极化状态时，太阳能电池性能最差，此时其光电转换效率为2.49％。
图5为实施例3中制备得到的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池在黑暗和一个标准太阳光照下的J-V曲线。从图5中可以看到，太阳能电池的开路电压为0.33V，短路电流为5.63mA/cm2，光电转换效率为0.48％。
图6为对比例1中制备得到的PLZT薄膜的电滞回线，从6图中可以看出，所制备的PLZT薄膜具有良好的铁电性，其剩余极化强度为33.7μC/cm2。
进一步测试对比例1中制备得到的PLZT薄膜的透射光谱，插图为(αhν)2-hν关系，结果如图7所示。从图7中可以看出，所制备PLZT薄膜的光学带隙为3.72eV。
测试对比例1中制备得到的太阳能电池在光照下的J-V曲线，结果如图8所示。从图8中可以看出所制备的PLZT太阳能电池的开路电压为0.53V，短路电流密度为1.81μA/cm2。
测试对比例2中制备得到的BiFeO3(BFO)薄膜、以及对比例3中制备得到的Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3(BCFMO)薄膜的电滞回线，结果如图9所示。图9中a表示对比例2中的BiFeO3(BFO)薄膜、b表示对比例3中制备得到的BCFMO薄膜。
从图9中可以看出，对比例2中制备得到的BiFeO3(BFO)薄膜的铁电性较差，其剩余极化强度为5.17μC/cm2，而对比例3中制备得到的BCFMO薄膜铁电性较好，其剩余极化强度为92.48μC/cm2。
进一步测试对比例2中制备得到的BiFeO3(BFO)薄膜、以及对比例3中制备得到的BCFMO薄膜的透射光谱，插图为(αhν)2-hν关系，结果如图10所示。图10中a表示对比例2中的BiFeO3(BFO)薄膜、b表示对比例3中制备得到的BCFMO薄膜。
从图10中可以看出，对比例2中制备得到的BiFeO3(BFO)薄膜的光学带隙为2.68eV，对比例3中制备得到的BCFMO薄膜的光学带隙为2.41eV。
测试对比例2～3中制备得到的太阳能电池在光照下的J-V曲线，结果如图11所示。图11中a表示对比例2中制备得到的太阳能电池、b表示对比例3中制备得到的太阳能电池。
从图11中可以看出，对比例2所制备的太阳能电池的开路电压为0.11V，短路电流密度为0.05mA/cm2，对比例3中制备的太阳能电池的开路电压为0.29V，短路电流密度为0.26mA/cm2，其光伏性能明显优于对比例2制备得到的BFO基太阳能电池，这是因为BCFMO薄膜具有更大的剩余极化强度和更窄的光学带隙导致的。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，其特征在于，包括：
衬底；
n型窗口层，其位于所述衬底表面；
铁电层，其位于所述n型窗口层远离所述衬底一侧的表面；
p型光吸收层，其位于所述铁电层远离所述衬底一侧的表面；
顶电极，其位于所述p型光吸收层远离所述衬底一侧的表面；
其中，所述铁电层的材料为BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3、La掺杂的Pb(Zr,Ti)O3、(K,Na)NbO3、BiFeO3、Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3中的任一种。
2.如权利要求1所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，其特征在于，所述n型窗口层的材料为SnO2、TiO2、ZnO中的任一种。
3.如权利要求1所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，其特征在于，所述p型光吸收层的材料为PbS量子点、EDT改性的PbS量子点、PbSe量子点中的任一种。
4.如权利要求1所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，其特征在于，所述顶电极包括Au电极、Ag电极、Al电极中的任一种。
5.如权利要求1所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，其特征在于，所述衬底包括FTO导电玻璃衬底、ITO导电玻璃衬底中的任一种。
6.如权利要求1所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池，其特征在于，所述n型窗口层的厚度为50～500nm；
所述铁电层的厚度为5～100nm；
所述p型光吸收层的厚度为50～500nm。
7.一种如权利要求1～6任一所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底表面制备n型窗口层；
在所述n型窗口层远离所述衬底一侧的表面制备铁电层；
在所述铁电层远离所述衬底一侧的表面制备p型光吸收层；
在所述p型光吸收层远离所述衬底一侧的表面制备顶电极。
8.如权利要求7所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，其特征在于，采用脉冲激光沉积法、磁控溅射法或溶胶凝胶法在所述衬底表面制备得到n型窗口层；
采用脉冲激光沉积法、磁控溅射法或溶胶凝胶法在所述n型窗口层表面制备得到铁电层；
采用旋涂法在所述铁电层表面制备得到p型光吸收层；
采用真空蒸镀法、电子束蒸发法或磁控溅射法在所述p型光吸收层表面制备得到顶电极。
9.如权利要求8所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，其特征在于，若所述n型窗口层的材料为ZnO，采用脉冲激光沉积法制备得到n型窗口层，具体制备方法为：以ZnO陶瓷作为靶材，控制衬底温度为100～700℃、脉冲激光能量为200～600mJ/Pulse、氧压为0～8Pa、沉积时间为3～60min，在衬底表面沉积形成n型窗口层；
若所述铁电层的材料为Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3，采用脉冲激光沉积法制备得到铁电层，具体制备方法为：以Bi0.98Ca0.02Fe0.95Mn0.05O3陶瓷作为靶材，控制衬底温度为500～700℃、脉冲激光能量为200～600mJ/Pulse、氧压为1～20Pa、沉积时间为3～60min，在n型窗口层表面制备得到铁电层。
10.如权利要求8所述的铁电-半导体量子点耦合增强型太阳能电池的制备方法，其特征在于，若所述p型光吸收层的材料为EDT改性的PbS量子点，所述p型光吸收层的制备方法为：
配制PbS量子点溶液；
将PbS量子点溶液旋涂在铁电层表面；
再于PbS量子点层表面旋涂EDT溶液；
然后再于PbS量子点层表面旋涂乙腈溶液，即得到p型光吸收层。
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