Cr3+掺杂PZT薄膜在制备铁电薄膜太阳能电池中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于铁电薄膜太阳能电池，具体涉及一种包含Cr3+离子掺杂PZT薄膜在制 备铁电薄膜太阳能电池中的应用。
【背景技术】
[0002] 太阳能是资源最丰富的可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力，太 阳能发电是太阳能利用途径中一项新技术。传统的固态太阳能电池主要有：晶体硅(单晶和 多晶）太阳能电池、非晶/微晶硅薄膜太阳能电池和化合物太阳能电池（GaAs，CIGS)。传统 固态光电器件可以产生的最大电压等于其电子能隙，即使是所谓的串联细胞一一其中有一 些半导体正-负联结的堆积，其能产生的光电电压也是有限的，因为光穿透的深度是有限 的。半导体的光生伏打效应是由宏观不均匀性造成的，产生光伏电压一般不超过半导体的 禁带宽度(一般为数伏)。另外，生产晶体硅、GaAs等传统太阳能电池的技术是高能耗、高污 染的，因此，导致目前太阳能电池的成本较高，发电价格远远高于火力或水力发电价格。
[0003] 这些固态太阳能电池有正-负极联接--正极半导体层和负电子层之间的联接。 这些联接层是光伏效应的关键，当太阳能电池吸收来自太阳的光子时，光子的能量会产生 电子-空穴对，这些电子-空穴对在耗尽区内被分开，也就是微小的正-负联接区，然后被 收集为电力。然而，这个过程需要光子穿透耗尽区的物质。他们的能量也必须精确地匹配 半导体的电子能带隙能量，也就是半导体价带和传导能带之间的差距，导带与价带之间没 有电子状态的存在。
[0004] 铁电材料作为一种新型光伏材料，具有成本低、环境友好、制备工艺简单等优点， 具有完全不同于半导体的反常光生伏打效应：均匀铁电晶体在均匀光照下出现稳态短路光 生电流或开路电压的现象，光伏电压不受晶体禁带宽度（Eg)的限制，可比Eg高2~4个数量 级，达1〇 3~1〇5 V/cm。正是由于铁电材料的这种超过千伏的输出光电压和将光能转换为电 能的性质，使其在光传感器、光驱动器、铁电光伏电池等领域具有重要的应用前景。另外，铁 电材料的光吸收区域是整个材料内部，而不仅仅局限于耗尽区，大大增加了光吸收，有利于 产生更多的电子-空穴对；材料内部产生的电子-空穴对可以被铁电材料的退极化场分离 开来；退极化场的大小与剩余极化的大小成正比。
[0005] 目前，已在钛酸钡、铌酸锂、钛酸铅、铋铁氧系等铁电材料中发现了光伏效应。传统 的铁电薄膜太阳能电池结构为金属电极/铁电薄膜/金属电极结构；在铁电薄膜的上、下两 个界面处都存在着金属/薄膜肖特基势皇，该上、下界面肖特基势皇形成的内建电场的方 向总是相反的，从而导致总的内建电场的减小；金属电极一般是不透明或者半透明的，使得 入射光线不能完全被铁电薄膜吸收，降低发电效率。
[0006] 锆钛酸铅，简称PZT，固溶体是一种性能优异的功能材料，具有优良的铁电、压电和 热释电性能，是目前研宄的一个热点。在IT0衬底上旋涂PZT膜的结构，可取代昂贵的Pt 衬底作铁电薄膜的性能研宄，并大大增加了入射光线的吸收利用。然而，沉积PZT薄膜需要 高温退火(一般600度以上)，在高温退火的过程中，IT0透明电极将会分解，导致透明性和 导电能力大大降低；由于ITO的薄膜中存在大量氧空位(带正电，类似于半导体中的空穴)， 高温退火时IT0中的部分氧空位将向PZT薄膜内部扩散，这些氧空位作为空间电荷将会部 分或完全屏蔽PZT薄膜的自发极化，导致剩余极化大大降低，退极化场减小，从而导致光电 转换效率通常较低。因此，研发一种新的铁电薄膜，具有高的剩余极化，用于铁电薄膜太阳 能电池，能够有效提尚电池的光伏效率，很有必要。
【发明内容】
[0007] 本发明目的是提供一种低沉积温度下制备的具有高剩余极化的Cr3+掺杂PZT薄 膜在制备铁电薄膜太阳能电池中的应用，有效提高铁电薄膜太阳能电池的发光效率。
[0008] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是： Cr3+掺杂PZT薄膜在制备铁电薄膜太阳能电池中的应用，所述Cr3+掺杂PZT薄膜中， Cr3+的摩尔百分比为2%~10%。
[0009] 上述技术方案中，所述Cr3+掺杂PZT薄膜的厚度为400 nm。既能保证薄膜不漏电， 又能测到比较大的光电流；如果薄膜厚度过小，薄膜漏电，测不到光伏电压；如果薄膜厚度 太厚，虽然能测到光伏电压，但光伏电流很小，那么电功率就小，不利于应用。
[0010] 优选的，本发明公开的Cr3+掺杂PZT薄膜中，Cr3+的摩尔百分比为5%。相比于未 掺杂PZT薄膜，该铁电薄膜的剩余极化提高了 2. 8倍，构成的太阳能电池的光伏发电效率提 高了 6倍，克服了现有技术认为Cr3+掺杂PZT薄膜会导致其剩余极化降低的技术偏见，取 得了意想不到的效果。
[0011] 本发明公开的铁电薄膜太阳能电池包括基底材料、正负电极以及Cr3+掺杂PZT薄 膜；所述Cr3+掺杂PZT薄膜设于正负电极之间。
[0012] 上述的应用具体包括以下步骤：在基底材料上制备正电极；将醋酸铅、钛酸丁酯、 锆酸丁酯、铬盐溶解在醋酸和乙二醇甲醚混合液中，形成溶胶；再通过溶胶凝胶法在正电极 上制备Cr3+掺杂PZT薄膜；然后在Cr3+掺杂PZT薄膜上制备负电极。
[0013] 上述技术方案中，所述铬盐为硝酸铬或醋酸铬；所述基底材料为透明玻璃，比如钠 钙基或硅硼基透明玻璃，也可以用其他基底，如Pt/Si ;所述电极为IT0透明电极。使得入 射光线可以尚效通过。
[0014] 利用磁控溅射的方法在基底材料上镀一层氧化铟锡（IT0)形成透明层，作为正电 极；利用磁控溅射在Cr3+掺杂PZT薄膜上制备氧化铟锡透明层，作为负电极；光线可以从 正极面也可以从负极面射入铁电薄膜。
[0015] 本发明的铁电薄膜，根据应用时的顺序，从下到上依次包括玻璃基底、IT0透明导 电层、Cr3+掺杂PZT薄膜层和IT0透明导电