[发明专利]一种梯度铁电薄膜太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及一种铁电薄膜太阳能电池的制备方法，尤其是指一种基于梯度BiFeO₃薄膜的太阳能电池。

背景技术

在过去几十年中，人们在铁电体这种非中心对称材料中发现了不同于传统p-n结或肖特基结的另一种光伏效应机制，即所谓的铁电光伏效应；利用铁电光伏效应的太阳能电池具有许多优异的特点，例如：电池结构设计简单；光诱导的电压可以不受半导体材料带隙的限制而能产生非常大的电压；产生的光电流正比于铁电极化强度等；因此，铁电材料的光伏效应在光电子和太阳能器件方面具有非常大的应用潜力，但是，由于铁电材料具有相对较宽的带隙和较大的内阻，其产生的短路电流密度和光电转换效率均较低。

近来，研究者们在多铁性材料BiFeO₃单晶和薄膜中发现了一个大的光伏效应；较窄的光学带隙（2.2 eV），高的饱和极化强度(90μC/cm²)和大的稳态光电流密度（7.35μA/cm²）使BiFeO₃材料在光伏器件方面的应用成为可能，如[T. Choi, S. Lee, Y. J. Choi, V. Kiryukhin, and S. W. Cheong, Science,324, 63 (2009).]，此后，对多铁性BiFeO₃材料光伏效应的研究吸引了越来越多的关注；Yang等人研究了薄膜厚度对BiFeO₃光伏效应的影响 [S. Y. Yang, L. W. Martin, S. J. Byrnes, T. E. Conry, S. R. Basu, D. Paran, L. Reichertz, J. Ihlefeld, C. Adamo, A. Melville, Y. H. Chu, C. H. Yang, J. L. Musfeldt, D. G. Schlom, J. W. Ager III, and R. Ramesh, Appl. Phys. Lett. 95, 062909 (2009).]；Jiang等人利用脉冲激光沉积方法在蓝宝石基底上制备了BiFeO₃薄膜，研究了氧压力对薄膜微结构、光学性质、电子能带结构的影响[K. Jiang, J. J. Zhu,J. D. Wu, J. Sun, Z. G. Hu, and J. H. Chu, ACS Applied Materials & Interfaces, 3, 4844 (2011).]；另有研究表明，采用氧化物作为多晶BiFeO₃薄膜的电极，此电容结构比金属电极电容结构具有更大的光伏效应[B. Chen,M. Li, Y. W. Liu, Z. H. Zuo, F. Zhuge, Q. F. Zhan, and R. W. Li, Nanotechnology, 22, 195201 (2011). M. Qin, K. Yao, and Y. C. Liang, Appl. Phys. Lett. 95, 022912 (2009). F. Chen, X. l. Tan, Z. Huang, X. F Xuan, and W. B. Wu, Appl. Phys. Lett. 96, 262902 (2010).]；此外，薄膜与基底之间由于晶格不匹配而产生的应力也能够极大地减小BiFeO₃薄膜的带隙，从而能提高其光伏效应 [Z. Fu, Z. G. Yin, N. F. Chen, X. W. Zhang, H. Zhang, Y. M. Bai, and J. L. Wu, Phys. Status Solidi RRL, 6, 37 (2012). O. E. González-Vázquez, and J. í?iguez, Phys. Rev. B, 79, 064102 (2009).]；虽然BiFeO₃薄膜的光伏效应以及基于BiFeO₃薄膜太阳能电池的制备已有一些文献报道，但所涉及到的BiFeO₃薄膜仅止于单层薄膜，多层光学带隙梯度的BiFeO₃薄膜光伏效应的研究还未见报道，更未见梯度BiFeO₃薄膜太阳能电池的制备。