[发明专利]一种基于窄带隙铁电薄膜的光伏器件的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料技术领域，具体涉及到一种基于掺杂KNbO₃薄膜的光伏电池的制备方法。

背景技术

铁电光伏效应，是一种不同于p-n结或者肖特基结的一种新的光伏效应，它是利用铁电体的光伏效应的一种新的光伏电池，有着许多优点，如：电池结构设计简单，原材料成本低，效率较高，而且材料无毒；其光电压不受材料带隙的限制而能产生相对较大的电压；其光电流正比于材料的铁电极化强度，等等。故而，铁电体的光伏效应在光电子学和半导体器件上，尤其是在太阳能电池上有着巨大的应用潜力。但是，大多数的铁电体有着较大的能带宽度(＞3eV)和电阻率(＞10⁸Ωm)，这限制了其光电转换效率和放电电流密度。

近年来，研究人员在铁电材料铌酸盐的陶瓷和薄膜结构发现了明显的光伏效应。早在上世纪90年代，Inoue等人研究了在极化后的LiNbO₃上的光电响应[Inoue,Y.,Sato,K.,Sato,K.and Miyama,H.Photoassisted water decomposition by ferroelectric lead zirconatetitanate ceramics with anomalous photovoltaic effects.J.Phys.Chem.,1986(90):2809–2810.]；随后，Guoqiang Li等人研究了不同比率的复合材料AgSbO₃/NaNbO₃的表面光伏行为和光催化性能[Guoqiang Li,WanlingWang,Na Yang,W.F.Zhang，Composition dependence of AgSbO₃/NaNbO₃compositeon surface photovoltaic and visible-light photocatalytic properties，ApplPhys A(2011)103:251–256]；Jungmin Park、Sung Won等人研究了对掺杂(K_0.5Na_0.5)NbO₃的薄膜结构的光电性质的研究[Park,J.,Won,S.S.,Ahn,C.W.and Kim,I.W.Ferroelectric photocurrent effect in polycrystalline lead-free(K_0.5Na_0.5)(Mn_0.005Nb_0.995)O₃thin film.J.Am.Ceram.Soc.,2013(96):146–150.]。但是高达XX eV的带隙限制了LiNbO₃等铁电材料的光伏应用。

最近，Grinberg、Andrew等人发现，掺杂使铁电材料KNbO₃进行化学改造降低其带隙[IlyaGrinberg,D.Vincent West，et al.Perovskite oxides for visible-light-absorbing ferroelectric and photovoltaic materials.NATURE，2013(503):509-512.Fenggong Wang,IlyaGrinberg,and Andrew M.Rappe,Semiconducting ferroelectric photovoltaics through Zn²⁺doping intoKNbO₃and polarization rotation，PHYSICAL REVIEW B 89,235105(2014)]，得到了很好的光电效应：较窄的带隙(约1.4eV)，较大的极化场(计算值0.18C m^-2)和较大的光电流(约10pA)。尽管有关铌酸盐的光电效应已有报道，然而，这几项工作都是涉及到是关于陶瓷结构的，至今有关薄膜的制备和光伏效应并未见于报道。

发明内容

本发明的目的是要解决现有光伏器件中铁电体薄膜的带隙宽，光照产生的光电流较小的问题，而提供一种基于窄带隙铁电薄膜的光伏器件的制备方法。

本发明基于窄带隙铁电薄膜的光伏器件的制备方法按下列步骤实现：