[发明专利]一种铌酸钾钠基无铅铁电光伏材料及其合成与应用

说明书

本发明提供一种铌酸钾钠基无铅铁电光伏材料，通过在铌酸钾钠材料中添加BaNi_0.5Nb_0.5O₃以及BiFeO₃固溶组分，减小基体材料的带隙宽度至1.1~2.1eV，提高其对太阳光线的吸收能力，同时固溶体保持较高的剩余极化强度（P_r=15~20μC/cm²），光伏性能得到提升。本发明可应用于太阳能光伏器件及物理防晒剂。

技术领域

本发明属于铁电光伏材料领域，具体涉及一种铌酸钾钠基无铅铁电光伏材料及其合成与应用。

背景技术

铁电材料光伏效应是一种全新的太阳能光伏效应，与传统的p-n结材料光伏效应完全不同。在传统p-n结晶体硅太阳能电池中，半导体材料吸收太阳能促使光生载流子形成，并在耗尽层中内电场作用下快速分离，电池正负极方向扩散，从而产生光生电压和光生电流。但是，传统p-n结太阳能电池的开路电压受材料带隙限制，如晶体硅为0.5-0.6V。

而铁电材料的开路电压不受材料带隙限制，如LiNbO₃晶体可以产生超过104V的光生电压，这是由于材料存在自发极化，在整个铁电材料内形成内建电场，促进了光生电子-空穴对的分离。同时，由于内电场大，与传统p-n结材料相比，铁电材料中电子-空穴对的分离和传输更加有效。

然而，由于传统铁电材料都是宽带隙（3~4eV），对于太阳能的利用率很低，只能吸收紫外线（波长短于420nm），缺乏实用性。因而，需要通过改性方法减小铁电材料的带隙，提高对太阳能的吸收能力，配合光生载流子的高分离效率，可显著提高材料的光伏性能。

发明内容

本发明提供一种铌酸钾钠基无铅铁电光伏材料，通过在铌酸钾钠（KNN）材料中添加BaNi_0.5Nb_0.5O₃以及BiFeO₃固溶组分，减小基体材料的带隙宽度至1.1~2.1eV，提高其对太阳光线的吸收能力，同时固溶体保持较高的剩余极化强度（P_r=15~20 μC/cm²），光伏性能得到提升。本发明通过以下技术方案来实现：

一种铌酸钾钠基无铅铁电光伏材料，化学组成为：(1-x-y)K_0.5Na_0.5NbO_3-z+xBaNi_0.5Nb_0.5O₃ +y BiFeO₃（简称KNN-BNN-BF）；其中0x≤0.2，0y≤0.2，0≤z≤0.1；z代表氧缺位量。

根据应用场景的不同，本发明提供的材料存在的物理状态不同，相应的合成路线也有所差异。

本发明材料的物理状态包括但不限于：块体、薄膜、纳米晶。

本发明材料的块体通过固相法进行制备，其工艺路线包括但不限于：称料、混料、煅烧、细磨、制浆、造粒、干压成型、排胶、烧结、机加工、被银、极化、性能测试。

本发明材料的薄膜通过溅射法或激光法进行制备，具体为：以一定尺寸的烧结后的KNN-BNN-BF块体为靶材，通过磁控溅射或脉冲激光沉积的方法在特定基片上生长薄膜。

本发明材料的纳米晶通过聚合物前驱体法进行制备，其具体步骤如下：

(1) 以柠檬酸为络合剂制备可溶性铌盐和铋盐作为铌源/铋源；