一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法与流程

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种bifeo3纳米线太阳能电池的制备方法。

背景技术：

目前，传统的硅基太阳能电池是利用p-n结或肖特基结来实现电子－空穴对的分离，光诱导的电压被界面区域的高能垒限制，导致产生的开路电压较小；其次，为了提高电池的转换效率，通常要专门设计特殊的减反结构以及对表面作钝化处理，来增加对太阳光的吸收；更为重要的是，硅原料的价格决定了硅基太阳能电池的制造费用昂贵；因此，硅基太阳能电池具有开路电压小、结构设计复杂、制造成本昂贵等缺点；然而，人们在铁电体这种非中心对称材料中发现了光伏效应的另一种机制，即铁电光伏效应，利用铁电光伏效应制备的太阳能电池具有开路电压大、结构设计简单、产生的光电流正比于铁电极化强度等特点，因此吸引了越来越多的关注。

2009年，choi等人发现多铁性材料bifeo3单晶中存在一个大的光伏效应，其具有较窄的光学带隙（2.2ev），高的饱和极化强度(90μc/cm2)，这使得bifeo3材料在光伏器件方面的应用成为可能，但是其产生的光电流密度较小（7.35μa/cm2），这直接导致bifeo3材料的光电转换效率较低[t.choi,s.lee,y.j.choi,v.kiryukhin,ands.w.cheong,science,324,63(2009).]；另外，bifeo3薄膜光伏效应的研究表明bifeo3薄膜具有一个较宽的光学带隙（2.7ev左右）和一个较高的开路电压（0.3-0.9v）[w.ji,k.yao,andy.c.liang,adv.mater.22,1763(2010).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.ageriii,andr.ramesh,appl.phys.lett.95,062909(2009).]；但是，可以通过改变薄膜厚度、沉积时的氧压力、薄膜与基底之间产生的应力来调控bifeo3薄膜的光学带隙[k.jiang,j.j.zhu,j.d.wu,j.sun,z.g.hu,andj.h.chu,acsappliedmaterials&interfaces,3,4844(2011).z.fu,z.g.yin,n.f.chen,x.w.zhang,h.zhang,y.m.bai,andj.l.wu,phys.statussolidirrl,6,37(2012).]；另有研究表明多晶bifeo3薄膜具有一个较窄的光学带隙（2.2ev）和一个大的光电流密度（2.8ma/cm2）[y.y.zang,d.xie,x.wu,y.chen,y.x.lin,m.h.li,h.tian,x.li,z.li,h.w.zhu,t.l.ren,andd.plant,appl.phys.lett.99,132904(2011).]；电极材料对多晶bifeo3薄膜光学性质的影响较大，采用氧化物电极材料的多晶bifeo3薄膜要比金属材料的具有更大的光伏效应[b.chen,m.li,y.w.liu,z.h.zuo,f.zhuge,q.f.zhan,andr.w.li,nanotechnology,22,195201(2011).]；另外，bifeo3纳米线光学性质的研究也表明其具有较低的光学带隙（2.5ev）[f.gao,y.yuan,k.f.wang,x.y.chen,f.chen,j.m.liu,andz.f.ren,appl.phys.lett.89,102506(2006).]；可以看出，bifeo3材料的光伏效应已有很多报道，但所涉及到的大都是体材料或薄膜材料的bifeo3，低维结构bifeo3光学性质的研究还少有报道，虽然目前有几篇文献报道了bifeo3纳米线的制备和光学性质的研究，但所涉及到的仅是纯bifeo3纳米线阵列，其开路电压、光电流密度等电学性质的研究还未见报道，更未见其他结构的bifeo3纳米线太阳能电池的报道。

本发明提出一种bifeo3纳米线太阳能电池的制备方法，利用纳米线结构提高bifeo3纳米线太阳能电池的光电转换效率。

技术实现要素：
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本发明提出一种bifeo3纳米线太阳能电池的制备方法，利用bifeo3纳米线结构降低其光学带隙，并提高其对太阳光的吸收，利用ag纳米线和ito上电极提高载流子的收集能力，从而达到提高bifeo3纳米线太阳能电池光电转换效率的目的。

实现本发明的技术方案为：

一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法，包括制备双通的多孔氧化铝模板的步骤、在多孔氧化铝模板中填充ag纳米线的步骤和制备ito上电极的步骤，其特征在于：在多孔氧化铝模板中填充ag纳米线的步骤和制备ito上电极的步骤之间进行利用磁控溅射方法在ag纳米线上包覆一层bifeo3的步骤，具体的工艺条件为：溅射功率为50-90w，沉积温度为20－3000c，ar：o2的流量比1:15-11:1，腔体压力为0.01-1pa，bifeo3壳层厚度为20-200nm。

所述的一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述制备双通的多孔氧化铝模板的步骤为：将高纯铝片进行退火，超声清洗，去除自然氧化层，电化学抛光，进行二次阳极氧化，去除al基底，通孔，制备出双通的多孔氧化铝模板；

所述高纯al片纯度99.999％，退火温度为450-500℃，退火时间为4-5小时，随炉冷却至室温后取出；

超声清洗依次用丙酮、乙醇、去离子水超声3分钟；

去除自然氧化层时选用2mol/l的naoh溶液，温度为60℃，浸入时间为2分钟；

电化学抛光选用5vol%硫酸、95vol%磷酸和20g/l铬酸的混合溶液，抛光5分钟，水浴温度为85℃，抛光电流为0.8a或选用25vol%高氯酸和75vol%乙醇，抛光1分钟，水浴温度为10℃，抛光电流密度为0.5ma/cm2；或选用90vol%高氯酸和10vol%乙醇，抛光3分钟，电压为23v；

二次阳极氧化过程包括：第一次阳极氧化、去除氧化层和第二次阳极氧化的步骤；

第一次阳极氧化的电解液选用0.2-0.4mol/l的草酸，氧化电压为10-160v，温度控制在0-10℃，氧化时间为3-6小时；或选用0.3-1.2mol/l的硫酸，氧化电压为10-160v，温度控制在0-5℃，氧化时间为3-6小时；

去除氧化层选用6wt%磷酸和1.5wt%铬酸的混合溶液，600c浸泡6小时；第二次阳极氧化条件与第一次阳极氧化相同，通过控制阳极电压可得到不同孔径大小的多孔氧化铝模板；

去除al基底选用饱和hgcl2溶液、sncl4溶液或cucl2溶液；

通孔选用6wt%磷酸，30℃，浸泡1小时，制备出双通的多孔氧化铝模板，将双通的多孔氧化铝模板浸入6wt%磷酸中扩孔5－40分钟，可得不同孔径大小的双通氧化铝模板。

所述的一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于：在多孔氧化铝模板中填充ag纳米线的步骤为：在多孔氧化铝模板的一面溅射au层作为工作电极，利用电化学沉积方法在多孔氧化铝模板中填充ag纳米线，去除多孔氧化铝模板；

采用磁控溅射方法制备au电极，溅射功率50w，厚度为40-300nm；

电化学沉积以石墨片为阳极，au为阴极，电解液为300g/l的agno3和45g/l的h3bo3的混合溶液，用硝酸调节ph值至2－3，电流密度为2－4ma/cm2，室温沉积8小时；

去除氧化铝模板选用5wt%的naoh溶液。

所述的一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述制备ito上电极的步骤为：采用磁控溅射方法制备ito电极；靶材选用ito陶瓷靶，工艺条件为：溅射功率为40－60w，沉积温度为20－3000c，腔体压力为0.01-1pa，溅射厚度为40-300nm。

测试bifeo3纳米线太阳能电池的光学和电学性质，包括测试bifeo3纳米线太阳能电池的吸收系数，j-v曲线等性质，电压范围为-1到1v。

本发明的优点是利用bifeo3纳米线结构降低其光学带隙，并提高其对太阳光的吸收，利用ag纳米线和ito上电极提高载流子的收集能力，从而达到提高bifeo3纳米线太阳能电池光电转换效率的目的。

附图说明

图1是bifeo3纳米线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au作为下电极，ito作为上电极，厚度为40－300nm。

具体实施方式

以下结合实例进一步说明本发明的内容：

具体实施例一

1．高纯al片退火

退火温度为5000c，退火时间为4小时，随炉冷却至室温后取出。

2．超声清洗

依次用丙酮、乙醇、去离子水超声3分钟，去除al片表面的污渍。

3．去除自然氧化层

用2mol/l的naoh溶液，温度为600c，浸泡时间为2分钟，然后取出用去离子水冲洗，去除自然氧化层。

4．电化学抛光

把al片放入5vol%硫酸、95vol%磷酸和20g/l铬酸的混合溶液中，利用搅拌设备对混合溶液进行循环搅拌，电化学抛光5分钟，水浴温度为850c，抛光电流为0.8a，然后取出用去离子水清洗干净。

5．进行二次阳极氧化

第一次阳极氧化的电解液选用0.3mol的草酸，氧化电压为40v，温度控制在30c，氧化时间为4小时，氧化后的al片用去离子水清洗干净；去除氧化层时选用6wt%磷酸和1.5wt%铬酸的混合溶液，600c浸泡6小时，去除后用去离子水清洗干净；第二次阳极氧化条件与第一次阳极氧化相同，氧化后的al片用去离子水清洗干净，得到多孔氧化铝模板的孔径为50nm。

6．去除al基底

将饱和hgcl2溶液滴到二次氧化后的al片背后，使没氧化的al片与hgcl2溶液反应而溶去，再用去离子水清洗干净。

7．通孔

选用6wt%的磷酸，加热至300c，浸泡1小时，去除阻挡层，制备出双通的多孔氧化铝模板。

8．溅射au电极

采用磁控溅射方法制备au电极，本底真空抽至4×10-4pa，溅射工艺参数为：溅射气氛为纯ar，气压为8pa，基底温度为2000c，溅射功率为50w，溅射时间为30分钟，厚度为100nm。

9．电化学方法沉积ag纳米线

以石墨片为阳极，au电极为阴极，把多孔氧化铝模板放入溶液可循环的电解槽装置中，电解液为300g/l的agno3和45g/l的h3bo3的混合溶液，并用硝酸调节溶液的ph值至2.5，电流密度为2.5ma/cm2，室温沉积8小时，使得多孔氧化铝模板中充满ag，并用去离子水清洗干净。

10．去除氧化铝模板

将充满ag的多孔氧化铝模板放入5wt%的naoh溶液，室温条件下直至多孔氧化铝模板完全溶解，用去离子水清洗干净，在室温下吹干。

11．在ag纳米线上包覆一层bifeo3

采用磁控溅射方法在ag纳米线上包覆一层bifeo3，靶材选择bi1.1feo3陶瓷靶，工艺条件为：溅射功率为50w，沉积温度为2000c，ar：o2的流量比1:15，腔体压力为0.1pa，溅射时间为15分钟，得到bifeo3壳层的厚度为50nm。

12．溅射ito上电极

采用磁控溅射方法制备ito电极，靶材选用ito陶瓷靶，工艺条件为：溅射功率为40w，沉积温度为2000c，腔体压力为0.1pa，溅射时间为30分钟，得到ito层的厚度为100nm。

13．电池性能测试

测试bifeo3纳米线太阳能电池的吸收系数，j-v曲线等性质，实施效果：得到bifeo3纳米线的光学带隙为2.4ev。在am1.5，100mw/cm2标准光强的照射下，短路电流密度为6ma/cm2，开路电压为0.9v，效率为1%。

具体实施例二

本实施方式与具体实施例一的不同是步骤5中将阳极氧化的电压分别改为10v、25v、60v、100v，则得到孔径大小分别为20nm、35nm、80nm、120nm的多孔氧化铝模板，其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施效果：得到bifeo3纳米线的光学带隙为2.4ev，在am1.5，100mw/cm2标准光强的照射下，短路电流密度为6－8ma/cm2，开路电压为0.8－1v，效率为0.8－1.2%。

具体实施例三

本实施方式与具体实施例一的不同是步骤7中将双通的多孔氧化铝模板浸入6wt%磷酸中扩孔5－40分钟，可得孔径大小为60－200nm的双通氧化铝模板，其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施效果：得到bifeo3纳米线的光学带隙为2.4ev，在am1.5，100mw/cm2标准光强的照射下，短路电流密度为6－7ma/cm2，开路电压为0.8－0.9v，效率为0.8－1%。

具体实施例四

本实施方式与具体实施例一的不同是步骤8中利用磁控溅射的方法制备ag下电极，溅射时间为1分钟，得到ag电极厚度为200nm，其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施效果：得到bifeo3纳米线的光学带隙为2.4ev，在am1.5，100mw/cm2标准光强的照射下，短路电流密度为8ma/cm2，开路电压为1v，效率为1%。

具体实施例五

本实施方式与具体实施例一的不同是步骤11中将溅射的时间变为30分钟、45分钟、1小时，可得到bifeo3壳层厚度为100nm、150nm、200nm的纳米线太阳能电池，其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

实施效果：得到bifeo3纳米线的光学带隙为2.3－2.5ev，在am1.5，100mw/cm2标准光强的照射下，短路电流密度为6－8ma/cm2，开路电压为0.8－1v，效率为0.8－1.2%。