[发明专利]一种铁电光伏器件及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铁电光伏器件，包括依次层叠设置的单晶衬底、底电极、PZT薄膜和金属电极；所述PZT薄膜与所述底电极的界面形成耗尽层，所述PZT薄膜的厚度接近所述耗尽层的厚度；本发明还提供一种铁电光伏器件的制备方法。相对于现有技术，本发明提供的铁电光伏器件中控制PZT薄膜的厚度与其界面形成的耗尽层的厚度接近，使得电子‑空穴对在内建场作用下有效分离，能够有效抑制载流子复合，同时有效降低铁电光伏器件的串联电阻，从而获得较高的光电流及光电转换效率。

技术领域

本发明涉及光伏技术领域领域，特别是涉及一种铁电光伏器件及其制备方法和应用。

背景技术

随着世界能源需求迅速增长，日益严重的供需和环境问题已成为制约经济和社会发展的瓶颈，因此，有必要建立清洁、充足、经济、安全和可持续发展的能源体系。太阳能作为一种洁净的可再生能源得到了越来越多的重视，而太阳能电池被认为是解决能源衰竭和环境污染等一系列重大问题的最佳选择之一。太阳能电池是通过光伏效应将光能转换为电能的装置，目前，硅基太阳能电池占据着太阳能电池市场的主导地位，但是硅基太阳能电池的光伏机制决定了其光电转换效率无法突破肖克利-奎伊瑟极限，尽管通过电池叠装等制造工艺可以提高硅基太阳能电池的光电转换效率，同时也产生了高昂的成本，限制了其大规模生产和应用。因此，开发新型高效、低成本光伏材料是近年来的研究热点。

相比于硅基太阳能电池，新型半导体薄膜太阳能电池具有吸光率高、重量轻、工艺简单、低成本和低能耗等优点，其中，在多种用于太阳能电池的新型半导体薄膜中，具有非中心对称性的PZT薄膜尤为引人关注。PZT，即Pb(Zr,Ti)O₃功能陶瓷，属于ABO₃型钙钛矿结构，Zr、Ti处于氧八面体的中心，Pb处于氧八面体的间隙，具有优异的铁电性能和光电性能。但是，PZT薄膜这类铁电材料的载流子迁移率低、寿命短、扩散长度短，存在严重的载流子复合问题，导致铁电光伏器件的光电流及光电转换效率很低，进而限制了其广泛应用。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种铁电光伏器件及其制备方法，其能够有效提高光伏转换效率。

本发明是基于以下发明构思实现的：一种铁电光伏器件，包括依次层叠设置的单晶衬底、底电极、PZT薄膜和金属电极；所述PZT薄膜与所述底电极的界面形成耗尽层，所述PZT薄膜的厚度接近所述耗尽层的厚度。

相对于现有技术，本发明提供的铁电光伏器件中控制PZT薄膜的厚度与其界面形成的耗尽层的厚度接近，使得电子-空穴对在内建场作用下有效分离，能够有效抑制载流子复合，同时有效降低铁电光伏器件的串联电阻，从而获得较高的光电流及光电转换效率。

进一步地，所述PZT薄膜的厚度大于等于7nm，且小于等于W+50nm，其中，W为耗尽层的厚度；

式中，q为电子电荷，ε₀为真空介电常数，ε_st是PZT薄膜的静态介电常数，N_eff是PZT薄膜的缺陷有效电荷密度，V′_ni是有效内建电势，V′_bi由PZT薄膜的电子亲和能、极化束缚电荷以及电极的功函数共同决定，并通过拟合电流-电压(I-V)特性曲线来获得。

进一步地，所述底电极为SrRuO₃，所述PZT薄膜为Pb(Zr_0.2Ti_0.8)O₃，所述PZT薄膜的厚度为7～50nm。

进一步地，所述单晶衬底为晶体取向为(001)的LaAlO₃、(La,Sr)(Al,Ta)O₃和SrRuO₃的任意一种。在晶体取向(001)方向上生长的PZT薄膜为外延薄膜，其面外方向为(001)，也是PZT薄膜极化的方向，该取向的PZT薄膜具有最大的面外极化，铁电光伏效应最强。