[发明专利]一种体效应太阳能电池材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电子材料、半导体材料与器件技术领域，具体地是涉及一种体效应太阳能电池材料及其制备方法。

背景技术

随着非可再生能源的过度开采，能源危机蔓延全球，开发利用新能源迫在眉睫，太阳能作为可再生能源的主导，有相当乐观的开发前景。太阳能电池是直接利用太阳能发电的元件，目前大量应用的太阳能电池，其制作材料主要是硅系列，而众所周知的是，其转换效率的提高已经快要达到极限，所以研究开发新材料是太阳能电池产业发展的方向，它对于更好更高效地利用太阳能有着实际意义。

铁电材料以其特有的自极化特性，在新型存储器的研究应用中占有重要席位。这种自极化的特性遍布于整个铁电体，其产生的电势能将材料中产生的光生空穴电子对迅速拉开，贡献于光电压。铁酸铋（BiFeO₃）是一种禁带宽度为2.5eV的间接带隙铁电材料，这种在可见光波长内的能量带隙使得其成为最具潜力的体效应太阳能电池材料。

本发明克服了现有技术中的铁酸铋薄膜工艺复杂，成本高，结晶温度高，颗粒分布不均匀，无明显择优取向，杂相多的技术缺陷，提供了一种在LaNiO₃/Si衬底上生长BiFeO₃铁电体的体效应太阳能电池材料，本发明的体效应太阳能电池材料中的铁酸铋薄膜具有成膜质量高，单轴取向性高，颗粒均匀，光吸收性能好等特点。本发明利用铁电体的体效应特性克服了传统硅固态太阳能电池带隙电压的限制，使半导体薄膜材料可产生光伏效应，为未来高效稳定的太阳能电池，以及相应光电器件的发展提供了一个新的途径。同时，本发明还提供了所述体效应太阳能电池材料的制备方法。其中，在BiFeO₃铁电体薄膜的制备中使用了溶胶凝胶法，使得本发明制备方法可以精确改变BiFeO₃铁电体中各成分比例，不仅降低制作成本，适合大规模工业生产，更能精准添加各种离子提高BiFeO₃铁电体薄膜特性，使太阳能电池材料的性能得到优化。

发明内容

本发明提供了一种体效应太阳能电池材料，其特征在于，所述体效应太阳能电池包括金属电极、BiFeO₃铁电体和LaNiO₃/Si衬底，其中，所述BiFeO₃铁电体垂直于LaNiO₃/Si衬底方向生长。

本发明中，所述BiFeO₃铁电体的厚度为100~300nm，其晶粒大小为20~30nm。

本发明中，所述LaNiO₃/Si衬底由LaNiO₃缓冲层及Si构成，所述LaNiO₃缓冲层的厚度是50~150nm。

本发明中，所述金属电极是Pt。

本发明还提供了所述体效应太阳能电池材料的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a、制备BiFeO₃溶胶：将硝酸铋、硝酸铁溶于冰醋酸，经搅拌溶解后加入乙二醇，经搅拌得到澄清透明棕红色溶液，陈化所述溶液制得BiFeO₃溶胶；

b、涂胶、退火：将步骤a制得的所述BiFeO₃溶胶旋涂于所述LaNiO₃/Si衬底上，然后在高温下对其进行阶梯退火；

c、重复步骤b的涂胶、退火过程；

d、电极制备：向步骤c制得的经过BiFeO₃铁电体涂胶的LaNiO₃/Si衬底上，溅射所述金属电极，即制得所述的体效应太阳能电池材料。

本发明中，所述步骤a中加入所述乙二醇调节溶液浓度至0.2~0.3mol/L；所述步骤b中的高温是在500～600℃的温度范围内，使用快速热退火炉退火；所述步骤d中金属电极的溅射时间为10-20分钟，金属电极的溅射中掩模板为网状或插齿状。

本发明中，所述网状掩模板的规格如下：尺寸2cm×2cm，镂空处为正方形，其边长0.1~0.5mm，间距0.5~2mm；所述插齿状掩模板的规格如下：尺寸2cm×1.6 cm，镂空处为插齿，齿长1cm~1.5c，齿宽0.1~0.5mm，间距0.5~2mm。具体尺寸根据要求选择。