[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

摘要

一种Bi5Ti3FeO15铁电薄膜光伏效应调控方法，包括以下步骤步骤(1)，采用溶胶凝胶方法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调控其光学带隙。通过稀土元素掺杂和周期性外电场的共同作用，实现了Bi5Ti3FeO15铁电薄膜光学带隙由3.01eV窄化为2.47eV，从而使得其光伏响应从紫外光区向可见光区出现移动，拓宽了光谱响应范围，同时还进一步提升了铁电薄膜极化性能，减少了疲劳现象的发生，大大提高了Bi5Ti3FeO15铁电薄膜作为太阳能光伏电池的光电转换效率和使用寿命。

主权项

一种Bi5Ti3FeO15铁电薄膜光伏效应调控方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)，制备稀土元素掺杂的Bi5Ti3FeO15铁电薄膜，稀土元素为Ho，掺杂的摩尔比例为1～20％，采用溶胶凝胶方法来制备，根据工艺如下，将纯相的Bi5Ti3FeO15和Ho掺杂的Bi5Ti3FeO15前躯体溶液旋涂在衬底上并在加热平台上烘干以去除其中的有机成分，在氧气气氛和700℃下快速退火5分钟，重复18次获得需要的薄膜的厚度，将沉积得到的纯的以及稀土掺杂的Bi5Ti3FeO15薄膜在氧气气氛、700℃下快速退火30分钟获得纯相的和稀土掺杂的Bi5Ti3FeO15薄膜，最后在薄膜上表面蒸镀直径是200微米的金电极，其中，配制Bi5Ti3FeO15前躯体溶液为乙二醇作为溶剂，将硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)、硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)、硝酸钬(Ho(NO3)3·9H2O)和钛酸四丁酯(Ti(C4H9O)4)分别溶解于乙二醇后混合，在计算溶液化学剂量比时，Bi含量过量10％，以弥补在热处理过程中Bi的挥发，前躯体溶液浓度控制在0.2mol/L，衬底为负载Pt(111)、Ti和SiO2的硅片，该衬底通过在(100)取向单晶Si上依次外延生长SiO2、Ti和Pt(111)而形成，薄膜的旋涂速度优选为400转/分钟旋涂15秒后，再以4000转/分钟旋涂50秒，加热烘干的温度为250℃；步骤(2)，向Bi5Ti3FeO15铁电薄膜两级施加周期性外电场，所述的周期性外电场为三角波、正弦波或梯形波脉冲中的一种，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；所述脉冲峰值为150～250kV/cm；所述脉冲频率为10～100kHz，施加的电循环的次数为106～1010次，所述Bi5Ti3FeO15铁电薄膜的光学带隙为2.47eV，相对传统的Bi5Ti3FeO15铁电薄膜，实现了其光伏响应从紫外光区向可见光区的移动，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。