铁电薄膜光伏效应调控方法、铁电薄膜和太阳能光伏电池技术

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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(Eg)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。
技术实现思路
本专利技术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。进一步，所述脉冲频率为10～100kHz，施加的电循环的次数为106～1010次。优选脉冲频率为50kHz，施加的电循环次数为1010次，这样可以在不耗费过长时间的前提下，获得较好的薄膜光伏效应调控效果。进一步，所述步骤(1)中掺杂稀土元素为Ho，掺杂摩尔比例为10％；所述步骤(2)中周期性外电场为三角波脉冲，所述脉冲峰值为200kV/cm、频率为50kHz，施加的电循环次数为1010次。一种Bi5Ti3FeO15铁电薄膜，根据所述的Bi5Ti3FeO15铁电薄膜光伏效应调控方法制备而成。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。一种太阳能光伏电池，具有上述Bi5Ti3FeO15铁电薄膜结构。本专利技术利用稀土元素掺杂和周期性电场共同调控Bi5Ti3FeO15铁电薄膜光学带隙的方法，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。附图说明图1为本专利技术采用的Bi5Ti3FeO15铁电薄膜光伏效应的谱相应和J-V特性测试系统示意图；图2为本专利技术实施例1制备的纯相和Ho掺杂Bi5Ti3FeO15薄膜的X射线衍射图；图3为不同强度周期性外电场的条件下，对本专利技术实施例1制备的纯相和Ho掺杂Bi5Ti3FeO15铁电薄膜的铁电性的调控；图4为不同频率周期性外电场的条件下，对本专利技术实施例1制备的纯相和Ho掺杂Bi5Ti3FeO15铁电薄膜的介电性的调控；图5为本专利技术实施例1制备的纯相和Ho掺杂的Bi5Ti3FeO15铁电薄膜的铁电光伏效应的光谱响应；图6为对本专利技术实施例1制备的纯相和Ho掺杂的Bi5Ti3FeO15铁电薄膜的铁电光伏效应的电流-电压特性的调控。图1中的附图标记为：1-氙灯光源、2-光学斩波器、3-光纤、4-光学滤波器、5-光栅单色仪、6-暗室、7-样品托、8-衬底、9-薄膜、10-电极、11-锁相放大器、12-2400数字源表、13-阻抗分析仪、14-测试系统具体实施方式以下结合实施例1至5和附图1至6，进一步说明本专利技术铁电薄膜光伏效应调控方法、铁电薄膜和太阳能光伏电池的具体实施方式和产生效果。本专利技术铁电薄膜光伏效应调控方法、铁电薄膜和太阳能光伏电池不限于以下实施例的描述。本专利技术Bi5Ti3FeO15铁电薄膜的调控、制备和测试步骤如下：第一步：制备纯相的和稀土掺杂Bi5Ti3FeO15铁电薄膜。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前躯体溶液优选乙二醇作为溶剂，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，优选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。衬底优选铂的硅片(Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100))，该衬底通过在(100)取向单晶Si上依次外延生长SiO2、Ti和Pt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，加热烘干的温度优选250℃。第二步：向第一步制备的Bi5Ti3FeO15铁电薄膜两极施加周期性外
电场。利用图1所示的测试系统提供周期性外电场，通过探针分别与Bi5Ti3FeO15铁电本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；步骤(2)，向Bi5Ti3FeO15铁电薄膜两级施加周期性外电场。

【技术特征摘要】
1.一种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；步骤(2)，向Bi5Ti3FeO15铁电薄膜两级施加周期性外电场。2.根据权利要求1所述的Bi5Ti3FeO15铁电薄膜光伏效应调控方法，其特征在于：步骤(1)中所述稀土元素为Ho，掺杂的摩尔比例为1～20％。3.根据权利要求1所述的Bi5Ti3FeO15铁电薄膜光伏效应调控方法，其特征在于：步骤(2)中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。4.根据权利要求3所述的Bi5Ti3FeO15铁电薄膜光伏效应调控方法，其特征在于：所述脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵世峰，白玉龙，陈介煜，唐哲红，
申请(专利权)人：内蒙古大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15