[发明专利]铁电薄膜光伏效应调控方法、铁电薄膜和太阳能光伏电池

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷组合物领域，特别是涉及一种Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜光伏效应调控方法、一种Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜和一种具有Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜的光伏电池。

背景技术

开发成本低廉、无污染、转换效率高的太阳能电池，是充分利用太阳能这一清洁能源，解决各类能源短缺和环境污染的有效途径。传统的半导体薄膜异质结太阳能电池的光伏电压受到半导体材料电子带隙(E_g)的制约，限制了其进一步大规模产业化。传统铁电材料的电流密度较小且电子带隙偏大(约3.5eV)，需要在紫外光的照射下才会有较大光电流产生，作为太阳能电池的光电转换效率过低。

窄带隙单相多铁材料BiFeO₃由于其电子带隙相对较窄(约2.67eV)，对应的光子吸收频率在可见光范围之内，具有较高的光电转换效率。特别是Bi₅Ti₃FeO₁₅作为一种环境友好的无铅基多铁材料，具有优异的铁电性和漏电性能。但是，Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜作为太阳能电池的基础材料，仍存在电子带隙过大、光子吸收频率范围较小、铁电极化较小、光电转换效率低等问题。

同时，铁电光伏效应来源于在电畴畴壁附近电子和空穴对的分离，铁电极化性能对光伏效应将产生非常重要的影响。Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜在周期性电场作用下，极化性能通常会出现疲劳现象，电畴的翻转变得非常困难，从而导致铁电极化性能下降，进一步降低了光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种操作步骤简便效果显著、可靠性高的利用稀土掺杂和周期性电场调控Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜光伏效应的方法，一种光学带隙窄、抗疲劳性能强的Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜，以及一种具有所述Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜结构的太阳能光伏电池。

一种Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜光伏效应调控方法，包括以下步骤：步骤(1)，制备稀土元素掺杂的Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜；步骤(2)，向Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜两级施加周期性外电场。所述步骤(1)采用溶胶凝胶方法，。通过稀土元素掺杂和周期性外电场的共同作用，实现了Bi₅Ti₃FeO₁₅铁电薄膜光学带隙的窄化，使得光伏响应由纯相薄膜的近紫外光区向可见光区移动，拓宽了光谱响应范围，同时其铁电光伏效应的抗疲劳性能也大大提高。

进一步，步骤(1)中所述稀土元素为Ho，掺杂的摩尔比例为1～20％。在配置Bi₅Ti₃FeO₁₅前躯体溶液时，通过添加硝酸钬(Ho(NO₃)₃·9H₂O)实现稀土元素Ho的掺杂；Bi含量按照化学计量比过量10％，以弥补在热处理过程中Bi的挥发；前躯体溶液浓度为0.2mol/L。

进一步，步骤(2)中所述的周期性外电场为三角波、正弦波或梯形波的脉冲。其中优选为三角波脉冲，以避免瞬间施加高电场导致的电场突变，造成的薄膜被击穿。

进一步，所述脉冲峰值为150～250kV/cm。电场脉冲峰值优选为200kV/cm。施加的电场高于250kV/cm，会导致薄膜被反复施加的电场击穿，而施加的电场太低会导致电畴翻转不完全，不能达到电畴反复翻转的目的。