專利名稱：一種梯度鐵電薄膜太陽(yáng)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(yáng)能電池的制備方法，尤其是指一種基于梯度BiFeO3薄膜的太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
在過(guò)去幾十年中，人們?cè)阼F電體這種非中心對(duì)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(jī)制，即所謂的鐵電光伏效應(yīng)；利用鐵電光伏效應(yīng)的太陽(yáng)能電池具有許多優(yōu)異的特點(diǎn)，例如電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(qiáng)度等；因此，鐵電材料的光伏效應(yīng)在光電子和太陽(yáng)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(duì)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(lái)，研究者們?cè)诙噼F性材料BiFeO3單晶和薄膜中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(qiáng)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(duì)多鐵性 BiFeO3材料光伏效應(yīng)的研究吸引了越來(lái)越多的關(guān)注；Yang等人研究了薄膜厚度對(duì)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(lán)寶石基底上制備了 BiFeOj^膜，研究了氧壓力對(duì)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(yáng)能電池的制備已有一些文獻(xiàn)報(bào)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(jiàn)報(bào)道，更未見(jiàn)梯度BiFeO3薄膜太陽(yáng)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(jì)及梯度BiFeO3薄膜太陽(yáng)能電池的制備，通過(guò)BiFeO3薄膜的梯度設(shè)計(jì)增加對(duì)太陽(yáng)光的吸收，從而提高BiFeO3薄膜太陽(yáng)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(guò)多層BiFeO3薄膜光學(xué)帶隙梯度的設(shè)計(jì)，制備BiFeO3薄膜太陽(yáng)能電池，達(dá)到提高BiFeO3薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。實(shí)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(cè)試梯度BiFeO3薄膜太陽(yáng)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(wú)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(guò)逐步提高每層薄膜沉積時(shí)的Ar與O2的流量比、逐步提高每層薄膜沉積時(shí)的沉積溫度或逐步提高每層薄膜沉積時(shí)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(cè)試梯度BiFeO3薄膜太陽(yáng)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(diǎn)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(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。


圖I是梯度BiFeO3薄膜太陽(yáng)能電池的示意圖，為了測(cè)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(diǎn)陣作為上電極；IT0、Au、Pt點(diǎn)陣中圓點(diǎn)直徑為
O.05-0. 2 mm，點(diǎn)與點(diǎn)之間的間隔是2-3 mm。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容
實(shí)施例I :通過(guò)改變Ar 02流量比制備梯度BiFeO3薄膜太陽(yáng)能電池。I.基底的清洗
先將(001) SrTiO3基底依次用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水超聲清洗10分鐘，最后用高純氮?dú)鈱⒒状蹈伞?.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(qiáng)為O. 01 Pa，濺射功率為90 W，各層薄膜的沉積時(shí)間均為I小時(shí)。
3. I梯度薄膜的第一層制備
薄膜沉積時(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(cè)試
實(shí)施效果最后進(jìn)行電池的性能測(cè)試，在AMl. 5，100mff/cm2標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的照射下，短路電流密度為6 mA/cm2,開(kāi)路電壓為O. 9 V，效率為O. 5%。實(shí)施例2 :通過(guò)改變基底沉積溫度制備梯度BiFeO3薄膜太陽(yáng)能電池。I.襯底清洗
方法同具體實(shí)施方式
一中的步驟I。2.下電極的制備
方法同具體實(shí)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(qiáng)為O. 01 Pa，濺射功率為90 W，各層薄膜的沉積時(shí)間均為O. 5小時(shí)。3. I梯度薄膜的第一層制備
薄膜沉積時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式
一中的步驟4。5.電池性能的測(cè)試
實(shí)施效果最后進(jìn)行電池的性能測(cè)試，在AMl. 5，100mff/cm2標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的照射下，短路電流密度為5 mA/cm2,開(kāi)路電壓為O. 8 V，效率為O. 4%。實(shí)施例3 :通過(guò)改變腔體壓力制備梯度BiFeO3薄膜太陽(yáng)能電池。I.襯底清洗
方法同具體實(shí)施方式
一中的步驟I。
2.下電極的制備
方法同具體實(shí)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(shí)間均為lOmin。3. I梯度薄膜的第一層制備
薄膜沉積時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式
一中的步驟4。5.電池性能的測(cè)試
實(shí)施效果最后進(jìn)行電池的性能測(cè)試，在AMl. 5，100mff/cm2標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的照射下，短路電流密度為5 mA/cm2,開(kāi)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(yáng)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(cè)試梯度BiFeO3薄膜太陽(yáng)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(guò)逐步提高每層薄膜沉積時(shí)的Ar與O2的流量比、逐步提高每層薄膜沉積時(shí)的沉積溫度或逐步提 高每層薄膜沉積時(shí)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(yáng)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(wú)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池的制備方法，其特征在于所述方法第五歩，測(cè)試梯度BiFeO3薄膜太陽(yáng)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(yáng)能電池的制備方法，尤其是指一種基于梯度BiFeO3薄膜的太陽(yáng)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(jì)及梯度BiFeO3薄膜太陽(yáng)能電池的制備，通過(guò)BiFeO3薄膜的梯度設(shè)計(jì)增加對(duì)太陽(yáng)光的吸收，從而提高BiFeO3薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102651428SQ20121016304
公開(kāi)日2012年8月29日 申請(qǐng)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(qǐng)人:常州大學(xué)