專利名稱：一種梯度鐵電薄膜太陽能電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鐵電薄膜太陽能電池的制備方法，尤其是指一種基于梯度BiFeO3薄膜的太陽能電池。
背景技術(shù)：
在過去幾十年中，人們在鐵電體這種非中心對稱材料中發(fā)現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)p-n結(jié)或肖特基結(jié)的另一種光伏效應(yīng)機制，即所謂的鐵電光伏效應(yīng)；利用鐵電光伏效應(yīng)的太陽能電池具有許多優(yōu)異的特點，例如電池結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單；光誘導(dǎo)的電壓可以不受半導(dǎo)體材料帶隙的限制而能產(chǎn)生非常大的電壓；產(chǎn)生的光電流正比于鐵電極化強度等；因此，鐵電材料的光伏效應(yīng)在光電子和太陽能器件方面具有非常大的應(yīng)用潛力，但是，由于鐵電材料具 有相對較寬的帶隙和較大的內(nèi)阻，其產(chǎn)生的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率均較低。近來，研究者們在多鐵性材料BiFeO3單晶和薄膜中發(fā)現(xiàn)了一個大的光伏效應(yīng)；較窄的光學(xué)帶隙(2. 2 eV)，高的飽和極化強度(90MC/cm2)和大的穩(wěn)態(tài)光電流密度(7. 35μΑ/cm2)使BiFeO3MW在光伏器件方面的應(yīng)用成為可能，如[T. Choi, S. Lee, Y. J. Choi,V. Kiryukhin, and S. ff. Cheong, Science, 324, 63 (2009) ·]，此后，對多鐵性 BiFeO3材料光伏效應(yīng)的研究吸引了越來越多的關(guān)注；Yang等人研究了薄膜厚度對BiFeO3光伏效應(yīng)的影響[S. Y. Yang, L. ff. Martin, S. J. Byrnes, T. E. Conry, S. R. Basu, D.Paranj L Reichertzj J. Ihlefeldj C. Adamoj A. Melville, Y. H. Chuj C. H. Yang,J. L Musfeldtj D. G. Schlomj J. W. Ager III，and R. Rameshj AppI. Phys. Lett.95，062909 (2009).] Jiang等人利用脈沖激光沉積方法在藍寶石基底上制備了 BiFeOj^膜，研究了氧壓力對薄膜微結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、電子能帶結(jié)構(gòu)的影響[K. Jiang, J. J. Zhu, J.D. Wuj J. Sun，Z. G. Huj and J. H. Chuj ACS Applied Materials & Interfaces, 3，4844 (2011).];另有研究表明，采用氧化物作為多晶BiFeO3薄膜的電極，此電容結(jié)構(gòu)比金屬電極電容結(jié)構(gòu)具有更大的光伏效應(yīng)[B. Chen, M. Li, Y. ff. Liu, Z. H. Zuo, F. Zhuge,Q. F. Zhan, and R. ff. Li, Nanotechnology, 22, 195201 (2011). M. Qin, K. Yao,and Y. C. Liang, AppI. Phys. Lett. 95, 022912 (2009). F. Chen, X. I. Tan, Z.Huang, X. F Xuan, and ff. B. ffu, AppI. Phys. Lett. 96, 262902 (2010).];此外，薄膜與基底之間由于晶格不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力也能夠極大地減小BiFeO3薄膜的帶隙，從而能提高其光伏效應(yīng)[Z. Fu, Z. G. Yin, N. F. Chen, X. ff. Zhang, H. Zhang, Y. M. Bai,and J. L. ffu, Phys. Status Solidi RRL, 6, 37 (2012). 0. E. Gonzalez-Vazquez,and J. Iniguez, Phys. Rev. B, 79，064102 (2009) ·];雖然BiFeO3薄膜的光伏效應(yīng)以及基于BiFeO3薄膜太陽能電池的制備已有一些文獻報道，但所涉及到的BiFeO3薄膜僅止于單層薄膜，多層光學(xué)帶隙梯度的BiFeO3薄膜光伏效應(yīng)的研究還未見報道，更未見梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的制備。本發(fā)明提出多層BiFeO3薄膜的光學(xué)帶隙梯度設(shè)計及梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的制備，通過BiFeO3薄膜的梯度設(shè)計增加對太陽光的吸收，從而提高BiFeO3薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出通過多層BiFeO3薄膜光學(xué)帶隙梯度的設(shè)計，制備BiFeO3薄膜太陽能電池，達到提高BiFeO3薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案為
第一步基底清洗；
第二步制備下電極；
第三步利用磁控濺射方法制備-光學(xué)帶隙梯度變化的BiFeO3薄膜；
第四步制備上電極；
第五步測試梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。所述方法第一步，基底選擇SrTi03、DyScO3或Nb-SrTiO3，依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗。所述方法第二步，采用磁控濺射方法制備電極，選擇SrRuO3作為下電極，厚度為60-300 nm0所述方法第三步，采用磁控派射方法制備梯度BiFeO3薄膜；祀材選擇BihlFeO3陶瓷靶；工藝條件為濺射功率為70-90W，沉積溫度為650-750 °C, Ar 02的流量比1:15-11:1，腔體壓力為0.01-1 Pa，薄膜的厚度為15-300 nm。所述梯度BiFeO3薄膜由三層構(gòu)成,通過逐步提高每層薄膜沉積時的Ar與O2的流量比、逐步提高每層薄膜沉積時的沉積溫度或逐步提高每層薄膜沉積時的腔體壓力制備得到梯度BiFeO3薄膜。所述方法第四步，采用磁控濺射方法制備電極，選擇ΙΤ0、Au或Pt作為上電極，厚度為 40-300 nm。所述方法第五步，測試梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的吸收系數(shù)，J-V曲線等性質(zhì)，電壓范圍為-I到I V。本發(fā)明的優(yōu)點利用磁控濺射沉積技術(shù)，調(diào)節(jié)各層BiFeO3薄膜的光學(xué)帶隙，提高其吸收光譜范圍，從而提高梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。


圖I是梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的示意圖，為了測量電池的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，選擇SrRuO3作為下電極，ΙΤ0、或Au、或Pt點陣作為上電極；IT0、Au、Pt點陣中圓點直徑為
O.05-0. 2 mm，點與點之間的間隔是2-3 mm。
具體實施例方式以下結(jié)合實例進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容
實施例I :通過改變Ar 02流量比制備梯度BiFeO3薄膜太陽能電池。I.基底的清洗
先將(001) SrTiO3基底依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗10分鐘，最后用高純氮氣將基底吹干。2.下電極的制備選用SrRuO3陶瓷祀，將真空腔體的本底真空抽至4X 10_4 Pa，沉積溫度為650 °C，濺射功率為70 W，薄膜厚度為70 nm。3.利用磁控濺射設(shè)備制備梯度BiFeO3薄膜
選用Bi1. JeO3陶瓷靶，基底溫度為650 °C，工作壓強為O. 01 Pa，濺射功率為90 W，各層薄膜的沉積時間均為I小時。
3. I梯度薄膜的第一層制備
薄膜沉積時的Ar 02流量比為1:15 ;薄膜厚度為100 nm ；
3. 2梯度薄膜的第二層制備
薄膜沉積時的Ar 02流量比為1:3 ;薄膜厚度為100 nm ；
3. 3梯度薄膜的第三層制備
薄膜沉積時的Ar 02流量比為3:1 ;薄膜厚度為100 nm。4.上電極的制備
采用Au靶，利用濺射方法制作直徑為O. 2 mm的上電極點陣，濺射工藝參數(shù)為濺射氣氛為純Ar，氣壓為8 Pa，基底溫度為650 °C，濺射功率為30 W。5.電池性能的測試
實施效果最后進行電池的性能測試，在AMl. 5，100mff/cm2標(biāo)準(zhǔn)光強的照射下，短路電流密度為6 mA/cm2,開路電壓為O. 9 V，效率為O. 5%。實施例2 :通過改變基底沉積溫度制備梯度BiFeO3薄膜太陽能電池。I.襯底清洗
方法同具體實施方式
一中的步驟I。2.下電極的制備
方法同具體實施方式
一中的步驟2。3.利用磁控濺射設(shè)備制備梯度BiFeO3薄膜
選用BiuFeO3陶瓷祀，Ar :02流量比為3:1，工作壓強為O. 01 Pa，濺射功率為90 W，各層薄膜的沉積時間均為O. 5小時。3. I梯度薄膜的第一層制備
薄膜沉積時的基底溫度為650 °C，薄膜厚度為50 nm ；
3. 2梯度薄膜的第二層制備
薄膜沉積時的基底溫度為700 °C，薄膜厚度為50 nm ；
3. 3梯度薄膜的第三層制備
薄膜沉積時的基底溫度為750 °C，薄膜厚度為50 nm。4.上電極的制備
方法同具體實施方式
一中的步驟4。5.電池性能的測試
實施效果最后進行電池的性能測試，在AMl. 5，100mff/cm2標(biāo)準(zhǔn)光強的照射下，短路電流密度為5 mA/cm2,開路電壓為O. 8 V，效率為O. 4%。實施例3 :通過改變腔體壓力制備梯度BiFeO3薄膜太陽能電池。I.襯底清洗
方法同具體實施方式
一中的步驟I。
2.下電極的制備
方法同具體實施方式
一中的步驟2。3.利用磁控濺射設(shè)備制備梯度BiFeO3薄膜
選用BiuFeO3陶瓷祀，Ar :02流量比為3:1，基底溫度為650 °C，濺射功率為90 W，各層薄膜的沉積時間均為lOmin。3. I梯度薄膜的第一層制備
薄膜沉積時的腔體壓力為O. 01 Pa，薄膜厚度為15nm ；
3. 2梯度薄膜的第二層制備
薄膜沉積時的腔體壓力為O. I Pa，薄膜厚度為15nm ；
3.3梯度薄膜的第三層制備
薄膜沉積時的腔體壓力為I Pa，薄膜厚度為15nm。4.上電極的制備
方法同具體實施方式
一中的步驟4。5.電池性能的測試
實施效果最后進行電池的性能測試，在AMl. 5，100mff/cm2標(biāo)準(zhǔn)光強的照射下，短路電流密度為5 mA/cm2,開路電壓為O. 8 V，效率為O. 4%。
權(quán)利要求
1.ー種梯度鐵電薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于包括如下步驟 第一歩基底清洗； 第二歩制備下電扱； 第三步利用磁控濺射方法制備-光學(xué)帶隙梯度變化的BiFeO3薄膜； 第四歩制備上電扱； 第五步測試梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)； 所述方法第三步，采用磁控派射方法制備梯度BiFeO3薄膜；祀材選擇Bi1. FeO3陶瓷革巴；エ藝條件為濺射功率為70-90W，沉積溫度為650-750で，Ar 02的流量比1:15-11: 1，腔體壓カ為0.01-1 Pa，薄膜的厚度為15-300 nm ;所述梯度BiFeO3薄膜由三層構(gòu)成，通過逐步提高每層薄膜沉積時的Ar與O2的流量比、逐步提高每層薄膜沉積時的沉積溫度或逐步提 高每層薄膜沉積時的腔體壓カ制備得到梯度BiFeO3薄膜。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種梯度鐵電薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于所述方法第一歩，基底選擇SrTi03、DyScO3或Nb-SrTiO3，依次用丙酮、無水こ醇和去離子水超聲清洗。
3.如權(quán)利要求I所述的ー種梯度鐵電薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于所述方法第二步，采用磁控濺射方法制備電極，選擇SrRuO3作為下電極，厚度為60-300 nm。
4.如權(quán)利要求I所述的ー種梯度鐵電薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于所述方法第四步，采用磁控濺射方法制備電極，選擇ΙΤ0、Au或Pt作為上電極，厚度為40-300nm。
5.如權(quán)利要求I所述的ー種梯度鐵電薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于所述方法第五歩，測試梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的吸收系數(shù)，J-V曲線等性質(zhì)，電壓范圍為-I到I V。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鐵電薄膜太陽能電池的制備方法，尤其是指一種基于梯度BiFeO3薄膜的太陽能電池。本發(fā)明提出多層BiFeO3薄膜的光學(xué)帶隙梯度設(shè)計及梯度BiFeO3薄膜太陽能電池的制備，通過BiFeO3薄膜的梯度設(shè)計增加對太陽光的吸收，從而提高BiFeO3薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/18GK102651428SQ20121016304
公開日2012年8月29日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者丁建寧, 王秀琴, 袁寧一, 邱建華, 陳智慧 申請人:常州大學(xué)