[发明专利]一种三明治结构全氧化物无铅铁电光伏器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三明治结构全氧化物无铅铁电光伏器件及其制备方法，该光伏器件包括基底，所述基底上覆有BFO层，所述BFO层上覆有ITO层；所述BFO层为外延生长的BiFeO_3‑δ薄膜。本发明巧妙地利用氧空位掺杂增加铁电层的吸光效率，利用上下电极功函差引起的内建电势协同铁电退极化场，有效地促进了光生电子空穴对的分离，提高了器件的光电转换性能。

技术领域

本发明涉及一种三明治结构全氧化物无铅铁电光伏器件及其制备方法，属于无铅铁电光伏器件技术领域。

背景技术

最近，具有钙钛矿结构的半导体铁电氧化物受到了极大的关注，因为它们可以用作光活性层，受到了类似卤化铅钙钛矿的PCE（高达23.7％）的快速增加的启发。全氧化物无机铁电光伏（PV）有助于克服当前光伏技术中最持久的挑战：提高功率转换效率（PCE），并通过稳定和环保的元件降低成本，推测可能获得超出Shockley-Queisser限制的PCE。值得注意的是，这种金属氧化物具有在环境条件下稳定性高、制备成本低等优点。然而，大多数具有钙钛矿结构的常规铁电氧化物通常在紫外能量范围内吸收（带隙E_g ≈ 3-4eV，远离最大PCE的理想值~1.4 eV），并且在空气环境中一个太阳光照下只有非常低的光电流（1 µA/cm²）。调整该材料的带隙，是提高PCE的最有效的方式。

BiFeO₃ (BFO)可以用作铁电光伏器件中的光活性层。准立方[111]方向（90 µC/cm²）具有高饱和极化，并且具有2.7eV的相对窄的带隙。另外，具有相对高的折射率，增强了光限制，因此增加了光吸收。获得性能良好的铁电半导体材料是得到一个好的光伏器件的第一步，除此以外还需要将铁电材料、电极、基底很好的集成起来，这恰恰是一个比较困难的事情。高电导铁电材料为获得高的光电流铺平了道路，但是高电导的出现却降低了光电压，使铁电材料在光伏器件中的使用受到限制。因此，要使铁电材料在光伏器件中更好的应用，必须克服铁电材料电导和光电压相互矛盾的问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种三明治结构全氧化物无铅铁电光伏器件，该器件选择具有氧空位掺杂的、外延生长的BiFeO_3-δ为铁电材料，通过巧妙的设计电极材料，将铁电材料、电极和基底很好的集成起来，利用铁电退极化场与因电极功函之差引起的内建电势之间的协同作用，促进了器件中光生电子空穴对的分离和高效收集，增强了该器件的光电流响应，克服了铁电材料电导和光电压相互矛盾的问题。

本发明还提供了上述光伏器件的制备方法，该方法通过高分子辅助法外延制备窄带隙、氧空位掺杂的BiFeO_3-δ铁电薄膜，通过脉冲激光沉积法制备电极，该方法成本低、便于工业化生产，解决了产业界梦寐以求的诉求。

到目前为止，尚未见如本发明这样结构和制备方法的器件的报道，现有技术中报道的多是非半导化的铁电光伏器件，本发明属于首创。下面对于本发明技术方案进行详细介绍。

一种三明治结构全氧化物无铅铁电光伏器件，该光伏器件包括基底，所述基底上覆有BFO层，所述BFO层上覆有ITO层；所述BFO层为外延生长的BiFeO_3-δ薄膜。

进一步的，所述BFO层为具有氧空位掺杂的、外延生长的BiFeO_3-δ薄膜，其带隙窄，即具有铁电性又具有很好的半导体输运特性，该BFO层的厚度为80-110 nm。

进一步的，所述基底为（100）取向的导电单晶Nb:SrTiO₃，简称NSTO。

进一步的，所述ITO层为透明电极层，其厚度为100-600 nm。