一種鐵電薄膜太陽能電池的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于太陽能電池技術領域，具體涉及一種包含Cr3+離子摻雜PZT薄膜的鐵 電薄膜太陽能電池。
【背景技術】
[0002] 傳統的固態太陽能電池主要有：晶體硅(單晶和多晶）太陽能電池、非晶/微晶硅 薄膜太陽能電池和化合物太陽能電池（GaAs，CIGS)。這些固態太陽能電池有正-負極聯 接一一正極半導體層和負電子層之間的聯接。這些聯接層是光伏效應的關鍵，當太陽能電 池吸收來自太陽的光子時，光子的能量會產生電子-空穴對，這些電子-空穴對在耗盡區內 被分開，也就是微小的正-負聯接區，然后被收集為電力。然而，這個過程需要光子穿透耗 盡區的物質。他們的能量也必須精確地匹配半導體的電子能帶隙能量，也就是半導體價帶 和傳導能帶之間的差距，導帶與價帶之間沒有電子狀態的存在。
[0003] 傳統固態光電器件可以產生的最大電壓等于其電子能隙，即使是所謂的串聯細 胞一一其中有一些半導體正_負聯結的堆積，其能產生的光電電壓也是有限的，因為光穿透 的深度是有限的。半導體的光生伏打效應是由宏觀不均勻性造成的，產生光伏電壓一般不 超過半導體的禁帶寬度(一般為數伏)。另外，生產晶體硅、GaAs等傳統太陽能電池的技術 是高能耗、高污染的，因此，導致目前太陽能電池的成本較高，發電價格遠遠高于火力或水 力發電價格。
[0004] 鐵電材料作為一種新型光伏材料，具有成本低、環境友好、制備工藝簡單等優點， 具有完全不同于半導體的反常光生伏打效應：均勻鐵電晶體在均勻光照下出現穩態短路光 生電流或開路電壓的現象，光伏電壓不受晶體禁帶寬度（Eg)的限制，可比Eg高2~4個數量 級，達103~105 V/cm。正是由于鐵電材料的這種超過千伏的輸出光電壓和將光能轉換為電 能的性質，使其在光傳感器、光驅動器、鐵電光伏電池等領域具有重要的應用前景。另外，鐵 電材料的光吸收區域是整個材料內部，而不僅僅局限于耗盡區，大大增加了光吸收，有利于 產生更多的電子-空穴對；材料內部產生的電子-空穴對可以被鐵電材料的退極化場分離 開來；退極化場的大小與剩余極化的大小成正比。
[0005]目前，已在鈦酸鋇、鈮酸鋰、鈦酸鉛、鉍鐵氧系等鐵電材料中發現了光伏效應。傳統 的鐵電薄膜太陽能電池結構為金屬電極/鐵電薄膜/金屬電極結構；在鐵電薄膜的上、下兩 個界面處都存在著金屬/薄膜肖特基勢皇，該上、下界面肖特基勢皇形成的內建電場的方 向總是相反的，從而導致總的內建電場的減小；金屬電極一般是不透明或者半透明的，使得 入射光線不能完全被鐵電薄膜吸收，降低發電效率。
[0006] 鋯鈦酸鉛，簡稱PZT，固溶體是一種性能優異的功能材料，具有優良的鐵電、壓電和 熱釋電性能，是目前研宄的一個熱點。在ITO襯底上旋涂PZT膜的結構，可取代昂貴的Pt 襯底作鐵電薄膜的性能研宄，并大大增加了入射光線的吸收利用。然而，沉積PZT薄膜需要 高溫退火(一般600度以上)，在高溫退火的過程中，ITO透明電極將會分解，導致透明性和 導電能力大大降低；由于ITO的薄膜中存在大量氧空位(帶正電，類似于半導體中的空穴)， 高溫退火時ITO中的部分氧空位將向PZT薄膜內部擴散，這些氧空位作為空間電荷將會部 分或完全屏蔽PZT薄膜的自發極化，導致剩余極化大大降低，退極化場減小，從而導致光電 轉換效率通常較低。
【發明內容】
[0007] 本發明目的是提供一種低沉積溫度下制備的具有高剩余極化鐵電薄膜組成的鐵 電薄膜太陽能電池，有效提高鐵電薄膜太陽能電池的發光效率。
[0008] 為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：一種鐵電薄膜太陽能電池，包括基底 材料、正負電極以及Cr3+摻雜PZT薄膜；所述Cr3+摻雜PZT薄膜設于正負電極之間；所述 Cr3+摻雜PZT薄膜中，Cr3+的摩爾百分比為2%~10%。
[0009] 上述技術方案中，所述Cr3+摻雜PZT薄膜的厚度為400 nm。既能保證薄膜不漏電， 又能測到比較大的光電流；如果薄膜厚度過小，薄膜漏電，測不到光伏電壓；如果薄膜厚度 太厚，雖然能測到光伏電壓，但光伏電流很小，那么電功率就小，不利于應用。
[0010] 上述技術方案中，所述基底材料為透明玻璃，也可以用其他基底，如Pt/si ;優選 為鈉鈣基或硅硼基透明玻璃。使得入射光線可以高效通過。
[0011] 上述技術方案中，所述電極為ITO透明電極。可以利用磁控濺射的方法在基底材 料上鍍一層氧化銦錫（ITO)形成透明層，作為正極；利用磁控濺射在Cr3+摻雜PZT薄膜上 制備氧化銦錫透明層，作為負極；光線可以從正極面也可以從負極面射入鐵電薄膜。
[0012] 本發明的鐵電薄膜太陽能電池，根據應用時的順序，從下到上依次包括玻璃基底、 ITO透明導電層、Cr3+摻雜PZT薄膜層和ITO透明導電層；所述兩層ITO導電層構成鐵電薄 膜太陽能電池的正負電極結構。
[0013] 優選的，本發明公開的Cr3+摻雜PZT薄膜中，Cr3+的摩爾百分比為5%。相比于未 摻雜PZT薄膜，該鐵電薄膜的剩余極化提高了 2. 8倍，構成的太陽能電池的光伏發電效率提 高了 6倍，克服了現有技術認為Cr3+摻雜PZT薄膜會導致其剩余極化降低的技術偏見，取 得了意想不到的效果。
[0014] PZT薄膜中存在三種陽離子，分別是Pb2+、Zr4+、Ti4+，它們的離子半徑分別是 0? 119nm、0. 072nm、0. 061nm，而Cr3+離子半徑為0? 062nm。現有技術認為：Cr3+離子慘雜在 PZT薄膜中，Cr3+將作為受主離子，取代離子半徑差不多大小的Zr4+或Ti4+ ;由于Cr3+的 價態低于Zr4+或Ti4+，在PZT薄膜中將產生空穴(帶正電）；這些空穴與PZT薄膜中固有的 氧空位一起部分或完全屏蔽PZT薄膜的自發極化，從而導致PZT薄膜的剩余極化大大降低。 因此，現有技術認為Cr3+離子摻雜PZT薄膜會導致PZT薄膜的剩余極化大大降低。
[0015] 在PZT薄膜中，為了獲得較高的自發極化，一般用提高退火溫度（600度以上)的辦 法實現。由于ITO不能承受600度以上的高溫，因此，在ITO導電層上沉積PZT薄膜，會破 壞ITO的透明性和導電能力；另外，ITO的氧空位也會向PZT薄膜內部擴散，從而增加PZT 薄膜內部的空間電荷，這些空間電荷將屏蔽自發極化，從而大大降低PZT薄膜的剩余極化。
[0016] 本發明利用摩爾百分比為2%~10%的Cr3+摻雜PZT薄膜，有效提高PZT薄膜的 剩余極化；即使在較低溫度退火（520度）下，也能獲得較高的剩余極化；同時避免ITO導電 層被破壞，也減少ITO導電層中的氧空位向PZT薄膜內部擴散。
[0017] 由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點： 1.本發明首次在PZT薄膜層引入摩爾百分比為2%~10%的Cr3+摻雜離子，構成了 Cr3+摻雜PZT薄膜，相比普通的PZT薄膜，本發明的薄膜剩余極化提高了近3倍，構成的太 陽能電池光伏發電效率提高了 6倍左右；克服了現有技術認為Cr3+離子摻雜PZT薄膜會導 致PZT薄膜的剩余極化大大降低的技術偏見。
[0018] 2.本發明的鐵電薄膜太陽能電池結構簡單，易于制備，退火溫度低，也能獲得較高 的剩余極化，大大提高了光伏發電效率，取得了意想不到的效果，適于推廣應用。
【附圖說明】
[0019] 圖1是實施例以及對比例鐵電薄膜的XRD圖（20-80度）； 圖2是實施例以及對比例鐵電薄膜的XRD局部放大圖（35-55度）； 圖3是實施例以及對比例鐵電薄膜太陽能電池的漏電流圖； 圖4是實施例以及對比例鐵電薄膜太陽能電池電滯回線圖； 圖5是實施例以及對比例鐵電薄膜太陽能電池的光電流-電壓特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖、實施例以及對比例對本發明作進一步描述： 在ITO/玻璃上用sol-gel法沉積Cr3+摻雜PZT薄膜，薄膜溶膠的制備為：將醋酸鉛、 鈦酸丁酯、鋯酸丁酯、鉻鹽溶解在醋酸和乙二醇甲醚混合液中，形成溶膠。鉻鹽可以為硝酸 鉻或醋酸鉻；所得的PZT薄膜具有鐵電效應。表1為本發明本對比例、實施例的PZT薄膜溶 膠原料摩爾配比。
在玻璃上沉積ITO導電層，構成透明的ITO導電玻璃（IT0/玻璃），其透光率大于85%， 表面電阻率為90 D / □左右；在ITO/玻璃上用sol-gel法沉積400nm厚的Cr3+摻雜濃度為 2%的PZ