专利名称：一种体效应太阳能电池材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及光电子材料、半导体材料与器件技术领域，具体地是涉及一种体效应太阳能电池材料及其制备方法。
背景技术：
随着非可再生能源的过度开采，能源危机蔓延全球，开发利用新能源迫在眉睫，太阳能作为可再生能源的主导，有相当乐观的开发前景。太阳能电池是直接利用太阳能发电的元件，目前大量应用的太阳能电池，其制作材料主要是硅系列，而众所周知的是，其转换效率的提高已经快要达到极限，所以研究开发新材料是太阳能电池产业发展的方向，它对于更好更高效地利用太阳能有着实际意义。铁电材料以其特有的自极化特性，在新型存储器的研究应用中占有重要席位。这种自极化的特性遍布于整个铁电体，其产生的电势能将材料中产生的光生空穴电子对迅速拉开，贡献于光电压。铁酸铋(BiFeO3)是一种禁带宽度为2. 5eV的间接带隙铁电材料，这种在可见光波长内的能量带隙使得其成为最具潜力的体效应太阳能电池材料。本发明克服了现有技术中的铁酸铋薄膜工艺复杂，成本高，结晶温度高，颗粒分布不均勻，无明显择优取向，杂相多的技术缺陷，提供了一种在LaNiCVSi衬底上生长BWeO3 铁电体的体效应太阳能电池材料，本发明的体效应太阳能电池材料中的铁酸铋薄膜具有成膜质量高，单轴取向性高，颗粒均勻，光吸收性能好等特点。本发明利用铁电体的体效应特性克服了传统硅固态太阳能电池带隙电压的限制，使半导体薄膜材料可产生光伏效应，为未来高效稳定的太阳能电池，以及相应光电器件的发展提供了一个新的途径。同时，本发明还提供了所述体效应太阳能电池材料的制备方法。其中，在BWeO3铁电体薄膜的制备中使用了溶胶凝胶法，使得本发明制备方法可以精确改变BWeO3铁电体中各成分比例，不仅降低制作成本，适合大规模工业生产，更能精准添加各种离子提高BWeO3铁电体薄膜特性，使太阳能电池材料的性能得到优化。
发明内容
本发明提供了一种体效应太阳能电池材料，其特征在于，所述体效应太阳能电池包括金属电极、Bii^eO3铁电体和LaNi03/Si衬底，其中，所述Bii^eO3铁电体垂直于LaNiO3/ Si衬底方向生长。本发明中，所述Bii^eO3铁电体的厚度为10(T300nm，其晶粒大小为2(T30nm。本发明中，所述LaNi03/Si衬底由LaNiO3缓冲层及Si构成，所述LaNiO3缓冲层的厚度是5(Tl50nm。本发明中，所述金属电极是Pt。本发明还提供了所述体效应太阳能电池材料的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤
a、制备Bii^eO3溶胶将硝酸铋、硝酸铁溶于冰醋酸，经搅拌溶解后加入乙二醇，经搅拌得到澄清透明棕红色溶液，陈化所述溶液制得Bii^eO3溶胶；
b、涂胶、退火将步骤a制得的所述Bii^eO3溶胶旋涂于所述LaNi03/Si衬底上，然后在高温下对其进行阶梯退火；
c、重复步骤b的涂胶、退火过程；
d、电极制备向步骤c制得的经过Bii^eO3铁电体涂胶的LaNi03/Si衬底上，溅射所述金属电极，即制得所述的体效应太阳能电池材料。本发明中，所述步骤a中加入所述乙二醇调节溶液浓度至0. 2^0. 3mol/L ；所述步骤b中的高温是在500 600°C的温度范围内，使用快速热退火炉退火；所述步骤d中金属电极的溅射时间为10-20分钟，金属电极的溅射中掩模板为网状或插齿状。本发明中，所述网状掩模板的规格如下尺寸2cmX2cm，镂空处为正方形，其边长 0. Γ0. 5mm,间距0. 5^2mm ；所述插齿状掩模板的规格如下尺寸2cmX 1. 6 cm，镂空处为插齿，齿长IcnTl. 5c,齿宽0. Γ0. 5mm,间距0. 5 2mm。具体尺寸根据要求选择。本发明提供一种体效应太阳能电池材料，其中，涉及到一种高效生长铁酸铋薄膜的方法，即采用溶胶凝胶法，使用快速热退火炉生长厚度可控的铁酸铋薄膜。以解决现有铁酸铋薄膜制备方法条件苛刻，成本高的问题，提供一种低成本，高重复性，适用于大规模工业生产的方法。本发明还提供一种体效应太阳能电池器件结构。为实现上述发明目的，本发明提供了一种在LaNi03/Si衬底上生长Bii^eO3铁电体的体效应太阳能电池材料的制备方法，依次包括下列步骤
一.薄膜制备
1.前驱液制备。将硝酸铁，硝酸铋粉末与适量冰醋酸混合，室温下搅拌3(Γ60分钟，使硝酸铁，硝酸铋粉末完全溶解。加入适量乙二醇，调节溶液粘稠度。继续室温下搅拌，得到暗红色澄清透明溶液。陈化溶液一定时间，得到铁酸铋溶胶。所得溶胶可在室温下长时间存放。2.将LaNi03/Si衬底在分别在丙酮，酒精，去离子水中分别超声5 10分钟。3.涂胶。使用勻胶机将铁酸铋溶胶旋涂于LaNi03/Si衬底，转速为5000 6000
转/分。4.使用快速热退火炉阶梯退火。除去水，有机溶剂，薄膜结晶，得到Bii^eO3薄膜， 膜厚约为2(T30nm。5.重复步骤3，4至Bii^eO3薄膜的厚度达到预先设定的厚度。二.电极制备
1.真空溅射Pt电极，溅射时间1(Γ20分钟。其中所使用的掩模板为网状或插齿状。网状掩模板规格为尺寸2cmX 2cm，镂空处为正方形，边长0. Γθ. 5mm,间距0. 5 2mm ；插齿状掩模板规格为尺寸2cmX 1. 6 cm,镂空处为插齿，齿长IcnTl. 5cm,齿宽0. Γθ. 5mm,间距 0.5 2mm。具体尺寸根据要求选择。2.使快速热退火炉退火，使电极与材料充分欧姆接触。本发明以铁酸铋(BiFeO3)为结构材料，使用溶胶凝胶法制备纯相铁酸铋薄膜。以冰醋酸，乙二醇为溶剂，硝酸铋，硝酸铁为溶质，所得前驱体澄清透明，能长时间存放。将前驱体溶液旋涂于清洗过的LaNi03/Si衬底，使用快速热退火炉层层退火，晶化热处理后得到铁酸铋薄膜。使用真空镀膜机在铁酸铋薄膜上生长Pt电极。本发明生长的铁酸铋薄膜表面均勻致密，结晶性能好，无杂相。使用金属电极-铁电体-缓冲层衬底三明治结构测试光伏效应，测试结构简易明了，得到较大的开路电压。本发明与现有技术相比，具有成本低，生长温度低，成膜质量高等优点，且生成的铁酸铋薄膜厚度可控性好，单向性高，光吸收性能好，将薄膜结构生长在硅衬底上，可结合目前成熟的半导体硅集成电路工艺，适合于集成纳米光电子器件的发展。本发明利用了铁电材料的体效应，克服了传统固态太阳能电池带隙电压的限制，使半导体薄膜材料可产生光伏效应，为未来高效稳定的太阳能电池，以及相应光电器件的发展提供了一个新的途径。 本发明中的电极制备过程中还可以采用插齿状掩模，使用透明导电氧化物(ITO)为电极，进一步提高光利用率。
图1是本发明体效应太阳能电池材料的结构示意图。图2是本发明体效应太阳能电池材料中Bii^eO3铁电体薄膜的X射线衍射图。图3是本发明体效应太阳能电池材料的制备中所使用的网状掩模板的结构示意图。图4是本发明体效应太阳能电池材料的制备中所使用的插齿状掩模板的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例进一步详细阐述本发明，但实施例不是对本发明的限制。 在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。如图1所示本发明体效应太阳能电池材料的结构自下往上依次为Si衬底、 LaNiOJl冲层、BiFeO3薄膜、Pt电极。测试时，在所述Pt电极两端各施加两个测试引线，用来施加扫描电压与测试开路电压。光照垂直于薄膜表面，使得光线与薄膜极化方向垂直。实施例1
本实施例是在LaNi03/Si衬底上生长Bii^eO3的体效应太阳能电池材料的制备过程及其光电压的测试。一 .薄膜制备
1.前驱液制备。将硝酸铁，硝酸铋粉末溶于冰醋酸，室温下搅拌30分钟，搅拌速率为 600转/分，使硝酸铁，硝酸铋完全溶解。再加入乙二醇，调节溶液粘稠度，使得溶液浓度为 0.25mol/L。继续室温下搅拌30分钟，搅拌速率为600转/分。得到暗红色澄清透明溶液。 陈化溶液72小时，得到铁酸铋溶胶。所得溶胶可在室温下长时间存放。2.将LaNi03/Si衬底在分别在丙酮，酒精，去离子水中分别超声5分钟。3.涂胶。使用勻胶机将铁酸铋溶胶旋涂于步骤2所得的LaNi03/Si衬底上，转速为6000转/分。4.使用快速热退火炉阶梯退火。200°C退火2分钟，除去水分；350°C退火3分钟， 除去有机溶剂；600°C退火4分钟，结晶，得到铁酸铋薄膜，膜厚约为25nm。5.重复步骤3，4，直至铁酸铋薄膜厚度达到150nm。
本发明制备方法中所得的Bii^eO3薄膜X射线衍射测试结构如图2所示，BiFeO3薄膜呈现(101)择优取向，单向性明显，成膜质量好，无其他杂项。薄膜晶粒尺寸S^.Snm。二.电极制备
1.采用网状掩模板进行真空溅射Pt电极。电极选择0. 3 X 0.3mm，间距2mm，溅射时间10分钟。本实施方式中溅射电极所用掩模板如图3所示。溅射时将掩模板覆盖于薄膜表面，白色部分为镂空，溅射完毕便在薄膜上留下相应大小的电极。2.使用快速热退火炉，300°C退火5分钟，使电极与材料充分欧姆接触。三.光电压测试
使用Newport系统测试光电压。测试过程中使用光源为1000W/m2，用来模拟太阳光谱 (AMI. 5)。测试过程在室温下进行。测试过程中扫描电压为-2疒2V，所得开路电压为4. 9V。测试结构充分利Bii^eO3薄膜本身的极化特性，利用各个极化畴内的极化电压将由光照激发的电子空穴对充分拉开， 并由电极收集，宏观表现为开路电压。本发明利用铁电材料产生光伏效应，其原理有别于传统的P-N结太阳能电池，克服了传统固态太阳能电池带隙电压的限制，使半导体薄膜材料可产生光伏效应，为未来高效稳定的太阳能电池，以及相应光电器件的发展提供了一个新的途径。
权利要求
1.一种体效应太阳能电池材料，其特征在于，所述太阳能电池材料包括金属电极、 BiFeO3铁电体和LaNi03/Si衬底，其中，所述Bii^eO3铁电体垂直于LaNi03/Si衬底方向生长。
2.如权利要求1所述的体效应太阳能电池材料，其特征在于，所述BWeO3铁电体的厚度为10(T300nm，其晶粒大小为2(T30nm。
3.如权利要求1所述的体效应太阳能电池材料，其特征在于，所述LaNi03/Si衬底由 LaNiO3缓冲层及Si构成，所述LaNiO3缓冲层的厚度是5(Tl50nm。
4.如权利要求1所述的体效应太阳能电池材料，其特征在于，所述金属电极是Pt。
5.一种权利要求1所述的体效应太阳能电池材料的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤a、制备Bii^eO3溶胶将硝酸铋、硝酸铁溶于冰醋酸，经搅拌溶解后加入乙二醇，再经搅拌得到澄清透明棕红色溶液，陈化所述溶液制得Bii^eO3溶胶；b、涂胶、退火将步骤a制得的所述Bii^eO3溶胶旋涂于所述LaNi03/Si衬底上，然后在高温下对其进行阶梯退火；c、重复步骤b的涂胶、退火过程；d、电极制备向步骤c制得的经过Bii^eO3铁电体涂胶的LaNi03/Si衬底上，溅射所述金属电极，即制得所述体效应太阳能电池材料。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a中加入所述乙二醇调节溶液浓度至0. 2 0. 3mol/L。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b中的高温是在500 600°C 的温度范围内。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤d中金属电极的溅射时间为 10-20分钟，金属电极的溅射中使用网状或插齿状掩模板。
全文摘要
本发明提供了一种体效应太阳能电池材料，包括金属电极、BiFeO3铁电体、LaNiO3/Si衬底，其中，所述BiFeO3铁电体垂直于LaNiO3/Si衬底方向生长。本发明还提供一种体效应太阳能电池材料的制备方法，以铁酸铋(BiFeO3)为结构材料，使用溶胶凝胶法制备纯相铁酸铋薄膜，旋涂于LaNiO3/Si衬底上并在高温下阶梯退火，再向其溅射电极。本发明中的铁酸铋薄膜表面均匀致密，结晶性能好，无杂相，且以金属电极-铁电体-缓冲层衬底三明治结构测试光伏效应，测试结构简易明了，可得到较大开路电压。
文档编号H01L31/032GK102176472SQ20111004146
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月21日 优先权日2011年2月21日
发明者杨平雄, 褚君浩, 黄东骥 申请人:华东师范大学