[发明专利]碳基透明电极/铁酸铋光伏器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种基于新型铁电光伏材料铁酸铋及碳基透明电极材料石墨烯或碳纳米管薄膜的光伏器件的制备技术。

背景技术

能源与环境的双重危机掀起了工业界和研究界对新型能源开发的热潮。目前应用比较广泛的新型清洁能源有：水能、风能、核能、潮汐能、地热能、生物能、太阳能等等。而其中，太阳能由于其储量丰富、易于获取、无污染、无噪声、安全可靠等优势，受到了广泛的关注。太阳能发电的原理之一是利用光伏效应，即通过对光的吸收产生载流子（电子与空穴），再将载流子输送到外部，对外界供应电力。利用光伏效应将太阳能直接转化为电能的器件称为光伏器件。

光伏器件的结构有多种，但是主要结构可归纳为前电极-光伏材料-后电极结构。一般而言，前电极的厚度在10nm-1000nm之间，光伏器件的光伏材料的厚度在100nm-1cm之间。目前，前电极材料分为两大类，一类是金属电极，比如金、银、铂等，金属不透光会遮挡太阳能电池的有效光照面积从而影响到太阳能电池的性能；另外一种是透明氧化物电极（Transparent Conductive Oxide，TCO），可使太阳能电池正面接受到的光能都用于光伏发电，即太阳能电池的面积为有效光照面积，包括In₂O₃系列、SnO₂系列和ZnO系列，其中以FTO和ITO应用最为广泛，但是，由于金属In的储量有限，最为广泛使用的FTO和ITO透明电极的成本较高，而且这两种透明电极材料的透明度也并不很高。

随着碳基材料的广泛应用，碳基透明电极（石墨烯或碳纳米管等）也有研究成果的报道：湖南省的彭鹏、金虎等提出一种制备石墨烯透明电极的方法，包括将电解质置于两层石墨烯薄膜中形成石墨烯透明电极（参见彭鹏、金虎，一种石墨烯电极、其制备方法和用途，中国发明专利申请公布号CN102437207 A），但此种透明石墨烯电极制备方法步骤较为繁琐，且由于电解液的存在，石墨烯透明电极的透明度受到影响。

三星公司提出一种透明碳纳米管薄膜电极，包括透明基底和掺杂分散剂的碳纳米管组合物构成（参见三星电子株式会社，利用导电分散剂的透明碳纳米管电极及其制造方法，中国发明专利公开号CN101165883 A）；北京化工大学提出一种碳纳米管透明电极的制备方法，采用聚四氟乙烯作为胶凝剂制备透明电极（参见北京化工大学，一种碳纳米管电极的制备方法，中国发明专利公开号CN102079557 A）。这两种制备碳纳米管透明电极的方法分别需要透明衬底、分散剂、胶凝剂等手段，步骤较为繁琐，同时也影响到了碳纳米管透明电极的透明度。

铁酸铋（BFO）是一种新兴的多铁材料，具有常温下剩余极化强度大，同时具有铁电铁磁耦合效应等特点。目前对铁酸铋材料的研究集中在其应用于存储器的方面；但铁酸铋材料同时也是一种光伏材料，并且同常见的硅、砷化镓等光伏材料相比，铁酸铋具有特殊的铁电、铁磁及光伏效应，在光伏传感器和执行器的方面有着广泛应用的潜力。

发明内容

本发明提供了一种碳基透明电极/铁酸铋光伏器件及其制备方法，本发明基于铁酸铋（BFO）薄膜光伏材料，石墨烯薄膜或碳纳米管薄膜透明电极，获得的光伏器件具有铁电、铁磁效应对光伏特性的调制作用，光伏器件透明度高；且制备工艺较简单。

本发明的特点及有益效果：

本发明采用铁酸铋（BFO）薄膜作为光伏材料，石墨烯薄膜或碳纳米管薄膜作为透明电极。

BFO材料作为一种新型光伏材料，同通常的单晶硅、多晶硅、GaAs等相比具有铁电铁磁耦合效应，输出电压较高，能够达到1-16V，光伏效应受到内极化电场强度影响等特点。

另外，同彭鹏等提出的石墨烯透明电极不同，本发明中使用的石墨烯透明电极并不使用双层石墨烯中分布电解质溶液的方法，而是直接使用单层、双层或多层石墨烯薄膜作为上电极。这样得到的石墨烯透明电极制备工艺较简单，透明度更高，可以达到96％以上；同三星公司和北京化工大学使用碳纳米管薄膜作为透明电极的应用不同，本发明使用的碳纳米管透明电极直接使用碳纳米管薄膜作为电极，并不添加有机衬底、分散剂、胶凝剂等，简化了制备工艺，提高了碳纳米管电极的透明度，达到85％以上。

本发明同时提供铁酸铋（BFO）薄膜作为光伏材料，石墨烯薄膜或碳纳米管薄膜作为透明电极的光伏器件的制备方法。在制备中，使用有机物薄膜做为保护层，便于引出上电极。

具体实施方式

下面对本发明进行详细描述。