復合薄膜結構光伏器件及制備方法與流程

本發明涉及光電轉換技術和復合薄膜太陽能技術領域，特別是涉及一種復合薄膜結構光伏器件及制備方法。

背景技術：

具有鈣鈦礦結構的甲胺鉛碘類(ch3nh3pbi3)材料目前在與染敏材料復合形成薄膜太陽能電池取得重大突破，電池效率可達10％以上。這些突破為鈣鈦礦材料與現有太陽能制備技術復合而獲得新型高效的太陽能薄膜電池看到了希望。作為同為鈣鈦礦結構的鐵電氧化物因其具有巨大的光生電壓，也一直倍受關注。特別是近期在新型的鐵電材料bifeo3(bfo)上觀察到高達16伏的光生電壓和強紫外光吸收特性，使鈣鈦礦類材料在清潔能源獲取的應用中有了更多的選擇。由于兩者同為鈣鈦礦結構，在能帶、價鍵電子結構、電荷輸運以及電荷隨外場的響應等物理特性有諸多相似之處。相對于甲胺鉛碘類材料，鈣鈦礦鐵電氧化物的晶體結構更加穩定，較容易與現有的半導體工藝集成生長在一起，形成高效復合薄膜太陽能電池。以pzt/gaas外延異質結為例，gaas本身是一種重要的光伏材料，單結的gaas能吸收可見光，產生約0.7伏光生電壓。若能與鈣鈦礦鐵電材料形成異質結，則兩者吸收波段可互補，實現寬波段、更廣譜的光能吸收轉化，獲得具有高開路電壓的新型薄膜太陽能電池。

本發明以插入sto緩沖層為例，說明一種新的復合薄膜太陽能電池結構和制備方法。為了得到更大的短路電流，實現寬波段、更光譜的光能吸收轉化，獲得具有高開路電壓的新型復合薄膜太陽能電池，那么獲得晶格完美、高光電轉化效率的鈣鈦礦鐵電薄膜顯得尤為重要。然而，大多數報道中，鈣鈦礦鐵電材料薄膜化后，相對于單晶或者陶瓷材料，光電轉化能力偏低。列如濺射制備的多晶bto薄膜能觀察到隨極化變化的光伏效應，但是薄膜結構缺陷太多且極化偏小，導致光生載流子在缺陷處復合而不能產生有效的光電轉化。即使織構和鐵電性良好的摻鑭pzt薄膜，由于絕緣性太高，光生載流子無法在薄膜體內形成有效的輸運，雖然能產生較大的光伏電壓，但光生載流子在納安量級。那么只有解決鈣鈦礦鐵電薄膜化過程中光電轉換效率下降的問題，才能讓鈣鈦礦鐵電光伏特性的優勢得以發揮。

對于鐵電層/緩沖層/半導體襯底結構光伏器件。通常采用鎳(ni)、金(au)、鋁(al)、銀(ag)的等作為電極材料。電極材料也是影響薄膜光電轉化效率的一個重要因素。其中包括電極的透明性等。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種鐵電層/緩沖層/半導體襯底結構光伏器件及其制備方法，使得光伏器件的光電轉換效率大幅度提升，尤其是器件的短路電流得到大幅度的提升。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案是，復合薄膜結構光伏器件，包括鐵電功能層、半導體襯底、透明電極和下電極，其特征在于，在鐵電層和半導體襯底之間設置有緩沖層，所述緩沖層的材料為鈦酸鍶或氧化鈦，緩沖層厚度為10～30nm。

進一步的，所述緩沖層材料為鈦酸鍶，厚度為20nm。

所述透明電極的材料為氧化銦錫或者摻鋁氧化鋅，所述鐵電功能層的材料為鋯鈦酸鉛或者鐵酸鉍，半導體襯底的材料為砷化鎵。

所述透明電極為面電極，所述下電極為點電極。

本發明還提供一種復合薄膜結構光伏器件的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

1)在半導體襯底上沉積10～30納米厚度的緩沖層，緩沖層的材料為鈦酸鍶或氧化鈦；

2)在緩沖層上生長鐵電功能層；

3)在鐵電功能層上沉積上電極，上電極為透明的面電極；

4)在半導體襯底的底面沉積下電極，下電極為點電極。

本發明有益效果為：

1、將鐵電材料和半導體材料相結合，從而拓寬了復合薄膜結構光伏器件的光譜吸收范圍，實現了更光譜的吸收波段。

2、通過插入鈦酸鍶(sto)緩沖層，解決了功能層和襯底之間的晶格失配問題，減少了光生載流子在界面缺陷中的復合，顯著提高了光電轉換效率。

附圖說明

圖1為本發明具體實施列中復合薄膜光伏器件的結構示意圖。

圖2所示為本發明具體實施案例中采用pld生長的異質結的xrd圖，插圖為搖擺曲線。

圖3所示為本發明具體實施案例中采用lmbe生長的緩沖層sto的原位監測(rheed)高能電子衍射圖。

圖4所示為本發明具體實施案例中器件的電滯回線圖。

圖5所示為本發明具體實施案例中器件在一個標準太陽光照射下，短路電流隨著電壓的變化曲線。圖5中，自上向下三條曲線順次為：positivepoling,un-poling,negativepoling.

圖6所示為本發明具體實施案例中器件的短路電流隨著光照強度的變化曲線。

圖7所示為本發明具體實施案例中器件的開路電壓隨著光照強度的變化曲線。

具體實施方式

本發明公開了一種鐵電/緩沖層/半導體襯底結構的光伏器件，包括上電極、下電極、鐵電功能層和半導體襯底，以及插入的緩沖層。本發明通過插入緩沖層解決了鐵電功能層和半導體襯底之間的晶格失配問題。

本實施方式的上電極為透明電極，材質為導電薄膜氧化銦錫(ito)。下電極為鋁(al)、銀(ag)電極。鐵電功能層為鋯鈦酸鉛(pzt)薄膜，厚度為150納米。

優選的，緩沖層的材料為鈦酸鍶(sto)，厚度為20納米。

半導體襯底為砷化鎵(asga)材料。

本發明還公開了一種復合薄膜光伏器件的制備方法，包括下述步驟：

(1)利用脈沖激光分子束外延(l-mbe)技術，在半導體襯底上沉積20納米厚度sto緩沖層。

(2)利用脈沖激光沉積技術(pld)，在緩沖層上生長150納米厚度的鐵電功能層。

(3)在鐵電功能層上利用脈沖激光沉積上電極，上電極為面電極。

(4)在半導體襯底上利用電子束蒸發技術沉積下電極，下電極為點電極。

進一步的，所述的步驟(1)中，sto緩沖層生長在asga襯底上，采用的是l-mbe技術。本發明利用高能電子衍射儀(rheed)進行原位監測。

所述鐵電功能層材料為pb(zr(1-x),tix)o3，采用pbo、la2o3、tio2為原料進行配比，其中，x＝0.48。

更進一步的，所述步驟(2)具體包括：

將pzt靶材分別利用無水乙醇和去離子水超聲清洗5分鐘，高壓氮氣吹干后放入脈沖激光濺射真空腔體，基片加熱至550℃，抽真空至1×10^-1pa以下，然后打開流量計以50sccm的流量向腔體通入氧氣，調節腔體至20pa，待腔體氣壓穩定后，打開激光器，調節激光頻率為3hz,激光能量為5j/cm^-2，濺射30分鐘，關閉激光源，調節流量值200sccm的流量，待腔體氣壓穩定在1×10³pa,原位退火30分鐘，之后打開腔體，將樣品取出。

制備上電極采用pld系統，制備下電極采用電子束蒸發法。

實施例

本發明實施例公開了一種復合薄膜結構光伏器件，包括透明電極(上電極)、鐵電功能層、緩沖層、半導體襯底和金屬下電極。

緩沖層優選鈦酸鍶(sto)或氧化鈦(tio2)；透明導電電極優選為氧化銦錫(ito)或者摻鋁氧化鋅等透明導電材料；金屬下電極為鋁(al)或者銀(ag)；鐵電功能層為鋯鈦酸鉛(pzt)或者鐵酸鉍(bfo)；半導體襯底優選為砷化鎵(asga)。

本實施例提供ito/pzt/sto/gaas/al結構和ito/pzt/gaas/al結構兩種器件的對比。ito為透明導電電極，不會減弱功能層和襯底對光的吸收。緩沖層優選的鈦酸鍶(sto)，sto的晶格常數為0.392納米。功能層優選的是pzt，pzt的晶格常數是0.402納米。半導體襯底優選的是gaas，gaas的晶格常數是0.565納米，實驗結果表明緩沖層與襯底是旋轉45度匹配生長。緩沖層以及功能生長結構良好。由于晶體結構生長良好，器件的短路電流以及開路電壓得到了顯著提升。尤其是短路電流提高約10000倍。

下面將結合本發明實例中的附圖，對本發明實例中的技術方案進行詳細的描述。

如圖1所示，本發明的復合薄膜結構光伏器件包括透明導電上電極，pzt功能層，sto緩沖層，gaas襯底以及金屬下電極。器件為5×5cm²的尺寸，透明導電電極厚度為100nm，下電極為金屬點電極。

圖2為本發明的復合薄膜結構光伏器件的xrd圖，以及作為對比的不具備緩沖層現有技術的xrd圖。插圖為搖擺曲線。

由于緩沖層厚度太薄，生長過程中特采用高能電子衍射儀進行原位監測，衍射圖如圖3所示。

將樣品進行測試電滯回線，如圖4。

將樣品置于一個模擬太陽光下面得到器件的i-v曲線為圖5所示。

分別調整光照的不同強度，測出器件的電流密度隨光照強度的不同而發生變化如圖6所示，器件的開路電壓隨光照強度的不同而發生變化如圖7所示。