[发明专利]在玻璃基板上制备BiFeO3铁电薄膜光伏电池的方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜沉积及光伏电池制备技术领域，尤其是涉及一种在玻璃基板上制备BiFeO₃铁电薄膜光伏电池的方法。

背景技术

光伏发电是太阳能利用的一种有效方式，是可再生能源利用中重要的组成部分，也是近年来发展最快、最具活力、最受瞩目的研究领域。目前光伏发电在整个能源结构中所占的比重还很小(不到1％)，其中最主要的原因是成本太高。据统计，传统的晶硅电池组件成本的65％来自硅片，消耗硅资源多，原材料供应紧张，很难适应未来大规模推广应用的需求。而薄膜太阳电池以其自身特殊的优势在近几年得到了迅速发展：薄膜的使用能够很大程度地节省原材料，降低电池成本；可以采用低温制备技术降低能耗，缩短能源回收期；低温技术的采用还使得玻璃、塑料等廉价衬底的使用成为现实；材料和电池同步制备，工艺简单，可以大面积连续化自动生产。

一般而言，半导体的光伏效应是由宏观不均匀性造成的，产生光伏电压一般不超过半导体的禁带宽度。而铁电材料具有完全不同于半导体的反常光伏(APV)效应：均匀铁电晶体在均匀光照下出现稳态短路光生电流或开路电压的现象，光伏电压不受晶体禁带宽度(Eg)的限制，可比Eg高2～4个数量级。正是由于铁电材料的这种反常光伏效应，使其在光传感器、光驱动器、铁电光伏电池等领域具有重要的应用前景。

铁酸铋(化学式BiFeO₃，简称BFO)铁电薄膜由于其原材料来源广，生产成本低，自发极化强度大，光伏电压输出高且电压可调等特点，近年来成为研究热点。然而，现在BFO薄膜光伏研究采用的主要是外延生长的薄膜，一般通过在单晶基板或高度取向化的缓冲层上生长获得，这大大提高了其成本；也有在Si基板上生长的多晶BFO薄膜的研究，但为了能制成薄膜电池一般需在Si基板上先制备一层Pt或其他底电极，这也不利于降低成本。

普通玻璃或导电玻璃FTO(为掺杂氟的SnO₂透明导电玻璃)和ITO(为掺杂铟的SnO₂透明导电玻璃，简称为ITO)，可被广泛用于液晶显示屏，光催化，薄膜太阳能电池基底、染料敏化太阳能电池、电致变色玻璃等领域。BFO的结晶温度低至500℃，所以，可以用玻璃作为基底制备BFO薄膜。

迄今为止，尚没有一种在玻璃基地上制备BFO铁电薄膜及其光伏电池的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在较廉价的玻璃基板上通过化学溶液法制备钙钛矿结构BFO铁电薄膜光伏电池的方法，制备方法简便，有利于降低成本，制备的薄膜具有较优越的光伏性能并具有类似于二极管的单向导电特性，显示出可观的应用前景。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：选择玻璃作为基底，通过化学溶液沉积法制备钙钛矿结构BFO铁电薄膜，然后通过物理溅射法在薄膜制备0.5mm*0.5mm的顶部电极，获得BFO太阳能薄膜电池。

在玻璃基板上制备BiFeO₃铁电薄膜光伏电池的方法，包括以下步骤：

(1)BFO前驱体溶液的配制

将Bi(NO₃)₃·5H₂O和Fe(NO₃)₃·9H₂O按摩尔比1∶1的比例完全溶于乙二醇甲醚，获得棕红色澄清透明且稳定前驱体溶液；

(2)BFO铁电薄膜的制备

以玻璃基板为基底，通过化学溶液沉积法制备得到BFO铁电薄膜；

(3)上电极的制备

在带有0.5mm*0.5mm孔洞的掩膜板的遮挡下物理溅射方法在BFO铁电薄膜上沉积0.5mm*0.5mm的电极即可。

步骤(1)中所述的玻璃基板为FTO导电玻璃基板、ITO导电玻璃基板或普通玻璃。

所述的化学溶液沉积法包括以下步骤：

a、利用甩胶机将前驱体溶液甩胶到基板上，控制转速为500rpm甩胶10秒然后在3000～4000rpm转速下甩胶30秒；

b、甩胶结束后将带有前驱体湿膜的基板在热板上先200℃烘干3分钟，然后在350℃煅烧5分钟，最后在O₂气氛下通过快速退火炉在500～600℃烧结5分钟；

c、甩胶煅烧第一层后先退火一次，以后每两层退火一次，一共甩胶15层，得到BFO铁电薄膜。

步骤(3)中所述的电极为Au电极、Pt电极或ITO电极。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：