一种铁酸铋光伏薄膜的制备方法及其制备的铁酸铋光伏薄膜与流程

本发明属于光伏薄膜材料领域，具体涉及一种bifeo3光伏薄膜的制备方法及其制备的bifeo3光伏薄膜。

背景技术：

为了获取更好的薄膜晶体管器件性能，许多研究者将焦点放在了对于退火环境的改变上，如温度、环境、次序和时间等。光伏薄膜大部分为纳米层状复合结构，膜层间的异质结界面是载流子严重复合区域，界面钝化处理可以提升载流子在界面处的迁移效率。在金属和合金的热处理中，二次退火常被用来改善金属的机械性能，并对微观结构进行重组并提高结晶度，但该方法尚未有报道应用于bifeo3光伏薄膜的制备过程中。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明目提供了一种bifeo3光伏薄膜的制备方法，该方法针对bifeo3光伏薄膜的光生载流子在界面处的高复合率问题，采用二次退火的工艺步骤来钝化异质结界面，提升光伏薄膜中的载流子迁移率，从而提升薄膜的光电转换效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种bifeo3光伏薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，清洗基片：依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗fto基片并干燥；

步骤2)，沉积bifeo3薄膜：将所述fto基片和bifeo3靶材放入沉积室内，将沉积室抽真空，向其内通入纯氧，以bifeo3为靶材，使用物理气相沉积法，在所述fto基片上沉积bifeo3薄膜；

步骤3)，原位退火：沉积完成后，原位退火，退火后，bifeo3薄膜自然冷却；

步骤4)，二次退火：从沉积室中取出bifeo3薄膜，将其二次退火，二次退火采用快速退火工艺，退火温度为500℃，退火时间为8min～12min。

进一步，步骤4)中，二次退火在空气气氛下进行。

进一步，步骤1)中，所述fto基片依次使用丙酮超声清洗15min，使用无水乙醇超声清洗15min，使用去离子水超声清洗15min。

进一步，步骤2)中，所述物理气相沉积法为脉冲激光沉积法。

再进一步，步骤2)中，抽真空完成后，气压为10^-5pa数量级；通入纯氧，保持纯氧气压为8pa。

再进一步，步骤(2)中，激光器输出脉冲能量为240mj，频率为3hz。

再进一步，步骤(2)中，所述fto基片的温度为700℃，自转速率为0.1r/min，薄膜沉积时间为2h。

再进一步，步骤3)中，原位退火温度为700℃，氧压为200pa，时间为1h。

应用所述的bifeo3光伏薄膜的制备方法制备的bifeo3光伏薄膜，其特征在于，该bifeo3光伏薄膜的开路电压位1.35v～1.40v、短路电流密度为2.34ma/cm²～2.85ma/cm²、填充因子73％～79.1％、光电转换效率为1.59％～1.93％。

本发明技术方案可获得的技术效果有：

(1)对于层状复合结构的薄膜器件，二次退火改变了薄膜异质结界面的贴合，使界面处有更加平整和贴合的结构，减少在沉积过程中所产生的缺陷，而缺陷正是影响薄膜太阳能电池器件性能和稳定性的主要因素。本发明采用在对bifeo3薄膜原位退火之后对薄膜进行了二次退火处理，钝化了界面，可以提升了界面处载流子的通过率，提升了器件内部载流子的平均迁移距离。bifeo3光伏薄膜的开路电压位1.35v～1.40v、短路电流密度为2.34ma/cm²～2.85ma/cm²、填充因子73％～79.1％、光电转换效率为1.59％～1.93％。

附图说明

图1为本发明实施例1中bifeo3薄膜的j-v性能曲线；

图2为本发明实施例2中bifeo3薄膜的j-v性能曲线；

图3为本发明实施例3中bifeo3薄膜的j-v性能曲线；

图4为本发明实施例3中bifeo3薄膜的xrd图谱；

图5为本发明实施例4中bifeo3薄膜的j-v性能曲线；

图6为本发明实施例5中bifeo3薄膜的j-v性能曲线；

图7为本发明实施例6中bifeo3薄膜的j-v性能曲线；

图8为本发明实施例6中bifeo3薄膜的xrd图谱。

具体实施方式

本具体实施例部分，以实施例1作为对比例，其制备的bifeo3薄膜没有进行二次退火；实施例2-4，分别对制备的bifeo3薄膜进行了8min、10min、12min，500℃的二次退火；实施例5、6，分别对制备的bifeo3薄膜进行了5min、15min，500℃的二次退火。

实施例1

步骤1)，清洗基片：将fto基片依次使用丙酮超声清洗15min，使用无水乙醇超声清洗15min，使用去离子水超声清洗15min，干燥；

步骤2)，沉积bifeo3薄膜：将所述fto基片和bifeo3靶材放入沉积室内，打开机械泵，当气压由大气压降至约10pa时同时打开分子泵，将腔内气压抽至10^-5pa数量级；关小抽气阀门同时通入纯氧气，调整抽气和通入气体的速率，让真空腔内气压平衡在8pa；以1℃/s的升温速率，加热基片至700℃；打开激光器，调整每个脉冲输出功率为240mj，频率为3hz，以bifeo3为靶材，在所述fto基片上沉积bifeo3薄膜，沉积为2h；

步骤3)，原位退火：沉积完成后，在700℃、200pa氧压条件下原位退火60min，退火后，bifeo3薄膜自然冷却。

使用小型离子溅射仪在薄膜表面溅射面积为2mm×2mm的au电极，将薄膜制备为fto/bifeo3/au结构的太阳能电池。

图1为实施例1制备的bifeo3薄膜的j-v性能曲线，其开路电压为0.87v，短路电流为2.50ma/cm²，填充因子60.9％，光电转效率为1.36％。

实施例2

步骤1)，清洗基片：将fto基片依次使用丙酮超声清洗15min，使用无水乙醇超声清洗15min，使用去离子水超声清洗15min，干燥；

步骤2)，沉积bifeo3薄膜：将所述fto基片和bifeo3靶材放入沉积室内，打开机械泵，当气压由大气压降至约10pa时同时打开分子泵，将腔内气压抽至10^-5pa数量级；关小抽气阀门同时通入纯氧气，调整抽气和通入气体的速率，让真空腔内气压平衡在8pa；以1℃/s的升温速率，加热基片至700℃；打开激光器，调整每个脉冲输出功率为240mj，频率为3hz，以bifeo3为靶材，在所述fto基片上沉积bifeo3薄膜，沉积为2h；

步骤3)，原位退火：沉积完成后，在700℃、200pa氧压条件下原位退火60min，退火后，bifeo3薄膜自然冷却；

步骤4)，二次退火：从沉积室中取出bifeo3薄膜，将其二次退火，二次退火采用快速退火工艺，退火温度为500℃，退火时间为8min，退火气氛为空气。

使用小型离子溅射仪在薄膜表面溅射面积为2mm×2mm的au电极，将薄膜制备为fto/bifeo3/au结构的太阳能电池。

图2为本发明实施例2制备的bifeo3薄膜的j-v性能曲线，其开路电压为1.40v，短路电流为2.34ma/cm²，填充因子79.1％，光电转效率为1.59％。对比实施例2制备的bifeo3薄膜j-v性能及实施例1制备的bifeo3薄膜j-v性能，经过8min、500℃的二次快速退火处理，bifeo3薄膜的光伏性能有明显提升。

实施例3

步骤1)，清洗基片：将fto基片依次使用丙酮超声清洗15min，使用无水乙醇超声清洗15min，使用去离子水超声清洗15min，干燥；

步骤2)，沉积bifeo3薄膜：将所述fto基片和bifeo3靶材放入沉积室内，打开机械泵，当气压由大气压降至约10pa时同时打开分子泵，将腔内气压抽至10^-5pa数量级；关小抽气阀门同时通入纯氧气，调整抽气和通入气体的速率，让真空腔内气压平衡在8pa；以1℃/s的升温速率，加热基片至700℃；打开激光器，调整每个脉冲输出功率为240mj，频率为3hz，以bifeo3为靶材，在所述fto基片上沉积bifeo3薄膜，沉积为2h；

步骤3)，原位退火：沉积完成后，在700℃、200pa氧压条件下原位退火60min，退火后，bifeo3薄膜自然冷却；

步骤4)，二次退火：从沉积室中取出bifeo3薄膜，将其二次退火，二次退火采用快速退火工艺，退火温度为500℃，退火时间为10min，退火气氛为空气。

使用小型离子溅射仪在薄膜表面溅射面积为2mm×2mm的au电极，将薄膜制备为fto/bifeo3/au结构的太阳能电池。

图3为实施例2制备的bifeo3薄膜的j-v性能曲线，其开路电压为1.37v，短路电流为2.85ma/cm²，填充因子73％，光电转效率为1.93％。对比实施例3制备的bifeo3薄膜j-v性能及实施例1制备的bifeo3薄膜j-v性能，经过10min、500℃的二次快速退火处理，bifeo3薄膜的光伏性能有明显提升。

图4实施例2制备的bifeo3薄膜的xrd图谱。通过比对标准icsd卡片，衍射图谱中只有基底fto和bifeo3薄膜的衍射峰，说明700℃是沉积纯相bifeo3薄膜的适宜温度。且二次退火没有令薄膜中出现杂相。

实施例4

步骤1)，清洗基片：将fto基片依次使用丙酮超声清洗15min，使用无水乙醇超声清洗15min，使用去离子水超声清洗15min，干燥；

步骤2)，沉积bifeo3薄膜：将所述fto基片和bifeo3靶材放入沉积室内，打开机械泵，当气压由大气压降至约10pa时同时打开分子泵，将腔内气压抽至10^-5pa数量级；关小抽气阀门同时通入纯氧气，调整抽气和通入气体的速率，让真空腔内气压平衡在8pa；以1℃/s的升温速率，加热基片至700℃；打开激光器，调整每个脉冲输出功率为240mj，频率为3hz，以bifeo3为靶材，在所述fto基片上沉积bifeo3薄膜，沉积为2h；

步骤3)，原位退火：沉积完成后，在700℃、200pa氧压条件下原位退火60min，退火后，bifeo3薄膜自然冷却；

步骤4)，二次退火：从沉积室中取出bifeo3薄膜，将其二次退火，二次退火采用快速退火工艺，退火温度为500℃，退火时间为12min，退火气氛为空气。

使用小型离子溅射仪在薄膜表面溅射面积为2mm×2mm的au电极，将薄膜制备为fto/bifeo3/au结构的太阳能电池。

图5为本发明实施例4制备的bifeo3薄膜的j-v性能曲线，其开路电压为1.35v，短路电流为2.65ma/cm²，填充因子73.2％，光电转效率为1.83％。对比实施例4制备的bifeo3薄膜j-v性能及实施例1制备的bifeo3薄膜j-v性能，经过12min、500℃的二次快速退火处理，bifeo3薄膜的光伏性能有明显提升。

实施例5

步骤1)，清洗基片：将fto基片依次使用丙酮超声清洗15min，使用无水乙醇超声清洗15min，使用去离子水超声清洗15min，干燥；

步骤2)，沉积bifeo3薄膜：将所述fto基片和bifeo3靶材放入沉积室内，打开机械泵，当气压由大气压降至约10pa时同时打开分子泵，将腔内气压抽至10^-5pa数量级；关小抽气阀门同时通入纯氧气，调整抽气和通入气体的速率，让真空腔内气压平衡在8pa；以1℃/s的升温速率，加热基片至700℃；打开激光器，调整每个脉冲输出功率为240mj，频率为3hz，以bifeo3为靶材，在所述fto基片上沉积bifeo3薄膜，沉积为2h；

步骤3)，原位退火：沉积完成后，在700℃、200pa氧压条件下原位退火60min，退火后，bifeo3薄膜自然冷却；

步骤4)，二次退火：从沉积室中取出bifeo3薄膜，将其二次退火，二次退火采用快速退火工艺，退火温度为500℃，退火时间为5min，退火气氛为空气。

使用小型离子溅射仪在薄膜表面溅射面积为2mm×2mm的au电极，将薄膜制备为fto/bifeo3/au结构的太阳能电池。

图6为本发明实施例5制备的bifeo3薄膜的j-v性能曲线，其开路电压为0.79v，短路电流为1.42ma/cm²，填充因子57％，光电转效率为1.34％。对比实施例5制备的bifeo3薄膜j-v性能及实施例1制备的bifeo3薄膜j-v性能，实施例5制备的bifeo3薄膜性能差，说明5min二次退火时间过短，对薄膜的光伏性能没有提升。

实施例6

步骤1)，清洗基片：将fto基片依次使用丙酮超声清洗15min，使用无水乙醇超声清洗15min，使用去离子水超声清洗15min，干燥；

步骤2)，沉积bifeo3薄膜：将所述fto基片和bifeo3靶材放入沉积室内，打开机械泵，当气压由大气压降至约10pa时同时打开分子泵，将腔内气压抽至10^-5pa数量级；关小抽气阀门同时通入纯氧气，调整抽气和通入气体的速率，让真空腔内气压平衡在8pa；以1℃/s的升温速率，加热基片至700℃；打开激光器，调整每个脉冲输出功率为240mj，频率为3hz，以bifeo3为靶材，在所述fto基片上沉积bifeo3薄膜，沉积为2h；

步骤3)，原位退火：沉积完成后，在700℃、200pa氧压条件下原位退火60min，退火后，bifeo3薄膜自然冷却；

步骤4)，二次退火：从沉积室中取出bifeo3薄膜，将其二次退火，二次退火采用快速退火工艺，退火温度为500℃，退火时间为15min，退火气氛为空气。

使用小型离子溅射仪在薄膜表面溅射面积为2mm×2mm的au电极，将薄膜制备为fto/bifeo3/au结构的太阳能电池。

图7为实施例6制备的bifeo3薄膜的j-v性能曲线，其开路电压为0.76v，短路电流为1.75ma/cm²，填充因子70％，光电转效率为0.96％。对比实施例6制备的bifeo3薄膜j-v性能及实施例1制备的bifeo3薄膜j-v性能，实施例6制备的bifeo3薄膜性能差，说明15min二次退火时间过长，说明二次退火时间不宜过长。

图8为实施例6制备的bifeo3薄膜的xrd图谱。使用标准icsd卡片与之对比后发现薄膜中存在贫铋相bi2fe4o9，这表明15min的沉原位退火时间太久，bi元素在沉积过程中向气氛中逸出较多，造成了薄膜中o元素和bi元素的非化学计量比偏移。

以上实施例说明，经过500℃、8min-12min的二次退火后，bifeo3薄膜的j-v性能，薄膜的开路电压与短路电流密度均有大幅的提高，这表明在前期制备工艺相同的情况下，500℃、8min-12min的二次退火能钝化薄膜的异质界面，降低光生载流子在界面处的漂移阻力，降低载流子复合率，提升了光伏性能。