[发明专利]一种取向性氧化铁薄膜及其制备方法和在太阳能电池中的应用

说明书

本发明公开了一种取向性氧化铁薄膜及其制备方法和在太阳能电池中的应用，属于薄膜材料何太阳能电池技术领域。该方法将片状氧化铁粒子加入的熔融金属液中，熔融金属液冷却凝固成型后，片状氧化铁会定向排列并平铺在金属的表面上，去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子，得到取向性氧化铁薄膜。该方法操作简单、能耗低、重复性高、适合大规模生产，可以选择不同特性的低熔点金属作为基体，通过控制片状氧化铁粒子的厚度来调控取向性薄膜的厚度(无片状粒子堆叠的现象)，并且薄膜与基体结合牢固。采用取向性氧化铁薄膜作为太阳能电池光吸收层，表现出对光吸收能力强，相对于随机取向氧化铁薄膜具有较高的光电压和光电转换效率，且性能稳定。

技术领域

本发明属于薄膜材料何太阳能电池技术领域，具体涉及一种取向性氧化铁薄膜及其制备方法和在太阳能电池中的应用。

背景技术

目前，太阳能电池以单晶硅和多晶硅为首，其技术也最为成熟，凭借较高的光电转化效率(PCE)，成为市面上大规模商业化应用的主要太阳能电池，但其生产成本高、能耗高，且污染环境。非晶硅和多元化合物的薄膜太阳能电池，如砷化镓等III-V族化合物、碲化镉等Ⅱ-Ⅵ族化合物以及铜铟镓硒等材料，与晶体硅太阳能电池相比，虽然其成本得到大幅的降低，但是缺点也比较突出，例如，非晶硅薄膜电池在PCE以及稳定性方面不如晶体硅电池，砷化镓和碲化镉薄膜电池材料中的砷和镉等有较强的毒性会对自然环境以及生物体的健康产生一定的危害等。从2009年开始，钙钛矿结构的有机无机复合金属卤化物材料进入了科研工作者的视野，其PCE在短短的十年间从3.8％迅速升至25.8％。虽然钙钛矿太阳能电池有着成本低、效率高的优势，但是由于光吸收层(钙钛矿层)不稳定、易分解，目前还难以产业化。因此，开发生产成本低、能耗低、环境有好的新型太阳能电池具有很大的意义。

氧化铁(α-Fe₂O₃)是一种价格低廉、环境污染少、稳定性和抗腐蚀性优良的n型半导体，且具有较高光电转换效率的材料，在可见光区具有很强的光吸收能力，能吸收约30％的太阳光能。通常人们将氧化铁薄膜作为光阳极，在光电催化分解水领域表现出良好的性能。目前人们制备的氧化铁薄膜是非取向性的，主要采用氧化铁球状纳米粒子，通过旋涂等方法制备。取向性薄膜通常采用片状粒子，通过流延法将定向排列片状粒子得到，主要应用在取向性电子薄膜或陶瓷领域。

但是，作为光电薄膜材料，流延法进行定向排列存在大量片状粒子堆叠的现象，粒子堆叠会增大薄膜的阻抗，降低光生载流子的迁移速率，致使光电转换效率低。此外，流延法定向排列后还需进一步热处理才能使片状粒子与基体牢固结合。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种取向性氧化铁薄膜及其制备方法和在太阳能电池中的应用，能够解决粒子堆叠导致增大薄膜阻抗以及粒子与基体结合不牢固的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明的第一个目的在于提供一种取向性氧化铁薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)在惰性气氛保护下，将低熔点金属加热至熔融态；

2)将氧化铁粒子加入到熔融态金属中进行搅拌、静置，待氧化铁粒子漂浮到熔融金属的液面上后，停止加热、自然降至室温并停止气氛保护，液态金属冷却凝固成型，氧化铁粒子被固定在成型金属的表面上；

3)去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子，保留与金属直接接触的氧化铁粒子，得到所述的取向性氧化铁薄膜。

进一步地，步骤1)中，惰性气氛为氮气、氩气或其它惰性气体。

进一步地，步骤1)中，低熔点金属为金属Bi、Sn、Zn、In或及其合金等熔点在450℃以下。

进一步地，步骤1)中，加热至熔融态的温度为熔点以上。