基于极性/非极性异质结的光伏器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于极性/非极性异质结的光伏器件及其制备方法，所述光伏器件包括非极性层和极性层，其中，所述非极性层为使用非极性材料的基片；所述极性层为沉积在所述非极性层上的极性材料薄膜。本发明专利技术还公开了一种基于极性/非极性异质结的光伏器件的制备方法。本发明专利技术公开的基于极性/非极性异质结的光伏器件的结构简单，制备容易；所述光伏器件仅仅在非极性基片上沉积几个晶胞层的极性材料即可实现可观的光伏效应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电器件
，特别涉及一类具有光伏效应的异质结器件及其制备方法，具体来说，是一类基于极性层/非极性层异质结构的光伏器件及其制备方法。
技术介绍
光伏效应因其广泛的应用价值引起了人们的高度研究热情，它在光电池、光二极管和光探测器件方面都有极大的作用和前景。在传统的光伏器件中，其内建电场基本都来源于半导体p-n结的耗尽层，尺寸在微米级别。随着目前器件的高集成化和高密度化，人们需要寻求更加微小的材料来实现光伏效应，而常规P-n结光伏器件已显得不尽人意。若能够探究到制作更小光伏材料的方法，无疑会带来众多应用领域的巨大进步，目前世界上已有一些纳米光伏器件应运而生。除了尺寸上的问题以外，现今主流的光伏结构以p-n结为基础,制作出的大部分材料其内建电场都不十分强，光伏效应不尽突出。近期研究表明，过渡金属氧化物异质结因其较强及连续的相互作用，在纳米尺度能够显现出一些非常奇特的效应，特别是极化可控的氧化物异质结构材料为制作纳米尺度的光伏器件提供了一种新的思路。专利技术人发现在几个晶胞尺度的极性层/非极性层异质结构中，极性材料能提供内建电场，此电场较强且稳定。当外界有光照时，这种材料对光子吸收，产生光生载流子，它们在极性材料的内建电场作用下分离开来:空穴向电势低的方向移动，电子向电势高的方向移动。在材料表面和界面制作表面电极和底电极可以收集这些载流子，从而观察到光伏效应。极性层/非极性层异质结构器件构造和制备简单，尺寸能做到仅几个纳米大小，其光伏效应也易得，具有令人瞩目的前景。而且在这种结构中，一些极性和非极性材料的组合，会由于极性不连续而引起电子重构，在界面处会产生二维电子气能够作为天然的底电极；或某些非极性材料自身可导电，以供方便地制作底电极来观察到光伏效应。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一类。该器件以非极性材料为基片，在其上沉积极性材料薄膜，能显示出明显的光伏效应。根据本专利技术的一方面，提出一种基于极性/非极性异质结的光伏器件，该光伏器件包括非极性层和极性层，其中:所述非极性层为使用非极性材料的基片；所述极性层为沉积在所述非极性层上的极性材料薄膜。根据本专利技术的另一方面，提出一种基于极性/非极性异质结的光伏器件的制备方法，该方法包括以下步骤:步骤1，将晶面方向001的钛酸锶基片依次放入异丙醇和去离子水中进行超声清洗处理；步骤2，用氢氟酸缓冲溶液腐蚀清洗后的钛酸锶基片一段时间后，得到钛氧层单终止的晶面方向001的钛酸锶基片；之后在一个大气压的氧氛围中，将腐蚀完成后的钛氧层单终止的钛酸锶基片加热至900 1000°C退火，退火时间为2小时；步骤3，将铝酸镧靶和处理后的钛酸锶基片放入脉冲激光沉积设备的真空镀膜室内，用机械泵和分子泵将真空镀膜室内的背底真空抽至高真空状态后，通入高纯氧使得气压保持在lX10_2pa左右，加热钛酸锶基片至600 700°C，再用KrF准分子激光器产生的激光脉冲烧蚀铝酸镧靶，进行铝酸镧薄膜的沉积；步骤4，沉积结束后维持在沉积温度和氧分压下退火，退火结束后，等待样品自然冷却到室温，即得到基于极性/非极性异质结的光伏器件。本专利技术的优势在于:1、基于极性/非极性异质结的光伏器件的结构简单，制备容易；2、仅仅在非极性基片上沉积几个晶胞层的极性材料即可实现可观的光伏效应。附图说明图1为本专利技术基于极性/非极性异质结的光伏器件的结构示意图；图2为本专利技术基于极性/非极性异质结的光伏器件的内建电场产生原理示意图；图3为根据本专利技术一实施例使用的钛酸锶晶体结构示意图，并标明001晶面方向；图4为根据本专利技术一实施例制备的铝酸镧/钛酸锶异质结构器件的内建电场使电子空穴分离的示意图；图5为根据本专利技术一实施例制备的铝酸镧/钛酸锶异质结构器件的生长过程反射高能电子衍射振荡曲线；图6为根据本专利技术一实施例制备的铝酸镧/钛酸锶异质结构器件的原子力显微镜图；图7为根据本专利技术一实施例铝酸镧/钛酸锶异质结构器件的光伏性能测试示意图；图8为根据本专利技术一实施例制备的铝酸镧/钛酸锶异质结构器件光照下的室温光伏效应图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。图1为本专利技术基于极性/非极性异质结的光伏器件的结构示意图，如图1所示，根据本专利技术的一方面，提供一种基于极性/非极性异质结的光伏器件，该光伏器件包括非极性层和极性层，其中:所述非极性层为使用非极性材料的基片；所述极性层为沉积在所述非极性层上的极性材料薄膜。所述非极性材料比如可以为钛氧层单终止的钛酸锶，所述极性材料比如可以为铝酸镧或铁酸铋，所述极性材料在特定方向上视为原子层堆垛结构时，这些原子层交替地带有正的和负的静电荷。对于所述器件，所述极性材料能够提供内建电场，此电场较强且稳定。当外界有光照时，所述器件吸收光子产生光生载流子，它们在极性材料的内建电场作用下分离开来:空穴向电势低的方向移动，电子向电势高的方向移动，从而显不出明显的光伏效应。在所述器件表面和两种材料的界面制作表面电极和底电极可以收集这些载流子，即能观察到光伏效应。并且在上述这种结构中，极性和非极性材料相组合，会由于极性不连续而引起电子重构，从而在两种材料的界面处产生二维电子气，而该二维电子气可直接作为天然的底电极；或者某些非极性材料由于自身可导电，可供方便地制作底电极来观察光伏效应。如图2所示，所述内建电场的产生原理为:将极性材料沉积在非极性材料上后，由于非极性材料为电中性，而极性材料因其自身结构，晶胞中会出现正负交替的静电荷层，从而使得材料中出现周期性的有电场和无电场层，且这些电场方向一致，这样就形成了内建电场。在本专利技术的一实施例中，以钛氧层单终止的晶面方向001的钛酸锶为基片，晶面方向如图3所示，在其上沉积铝酸镧，从而得到铝酸镧/钛酸锶异质结构的光伏器件，该器件由铝酸镧薄膜层提供内建电场，当外界有光照时，内建电场能够使光激发的电子和空穴分离开来，从而表现出光伏效应，如图4所示，且由于极性不连续，会引起电子重构在界面产生二维电子气，可作为天然的底电极。在该实施例中，所述铝酸镧薄膜沿钛酸锶的晶面方向001生长，为交替的镧氧层(LaO) +层和铝氧层(A102)_层堆垛的结构，所述铝酸镧薄膜厚度为5个晶胞层，对应于1.9纳米。根据本专利技术的另一方面，提供一种基于极性/非极性异质结的光伏器件的制备方法，该方法包括以下步骤:步骤1，将晶面方向001的钛酸锶基片依次放入异丙醇和去离子水中进行超声清洗处理，在每一种清洗液中可清洗2至3遍；步骤2，用氢氟酸缓冲溶液腐蚀清洗后的钛酸锶基片一段时间后，比如10分钟左右，得到钛氧层单终止的晶面方向001的钛酸锶基片；之后在一个大气压的氧氛围中，将腐蚀完成后的钛氧层单终止的钛酸锶基片加热至900 1000°C退火(最优为950°C )，退火时间为2小时；其中，所述氢氟酸缓冲溶液由氟化氢、氟化氨和去离子水混合配成，制备出的氢氟酸缓冲溶液PH值约为5.4。步骤3，将铝酸镧靶和处理后的钛酸锶基片放入脉冲激光沉积(PLD)设备的真空镀膜室内，用机械泵和分子泵将真空镀膜室内的背底真空抽至高真空状态(比如5X 10_6Pa)后，通入高纯氧使得气压保持在lX10_2Pa左右，加热钛酸锶基片至600 700 V (最优为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于极性/非极性异质结的光伏器件，其特征在于，该光伏器件包括非极性层和极性层，其中：所述非极性层为使用非极性材料的基片；所述极性层为沉积在所述非极性层上的极性材料薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾长淦，梁海星，成龙，邓昕洲，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：