一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法技术

本发明专利技术属于半导体材料技术领域，具体涉及一种BiFeO

Preparation of bismuth ferrite nanowire solar cell

【技术实现步骤摘要】
一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法
本专利技术属于半导体材料
，具体涉及一种BiFeO3纳米线太阳能电池的制备方法。
技术介绍
目前，传统的硅基太阳能电池是利用p-n结或肖特基结来实现电子－空穴对的分离，光诱导的电压被界面区域的高能垒限制，导致产生的开路电压较小；其次，为了提高电池的转换效率，通常要专门设计特殊的减反结构以及对表面作钝化处理，来增加对太阳光的吸收；更为重要的是，硅原料的价格决定了硅基太阳能电池的制造费用昂贵；因此，硅基太阳能电池具有开路电压小、结构设计复杂、制造成本昂贵等缺点；然而，人们在铁电体这种非中心对称材料中发现了光伏效应的另一种机制，即铁电光伏效应，利用铁电光伏效应制备的太阳能电池具有开路电压大、结构设计简单、产生的光电流正比于铁电极化强度等特点，因此吸引了越来越多的关注。2009年，Choi等人发现多铁性材料BiFeO3单晶中存在一个大的光伏效应，其具有较窄的光学带隙（2.2eV），高的饱和极化强度(90μC/cm2)，这使得BiFeO3材料在光伏器件方面的应用成为可能，但是其产生的光电流密度较小（7.35μA/cm2），这直接导致BiFeO3材料的光电转换效率较低[T.Choi,S.Lee,Y.J.Choi,V.Kiryukhin,andS.W.Cheong,Science,324,63(2009).]；另外，BiFeO3薄膜光伏效应的研究表明BiFeO3薄膜具有一个较宽的光学带隙（2.7eV左右）和一个较高的开路电压（0.3-0.9V）[W.Ji,K.Yao,andY.C.Liang,Adv.Mater.22,1763(2010).S.Y.Yang,L.W.Martin,S.J.Byrnes,T.E.Conry,S.R.Basu,D.Paran,L.Reichertz,J.Ihlefeld,C.Adamo,A.Melville,Y.H.Chu,C.H.Yang,J.L.Musfeldt,D.G.Schlom,J.W.AgerIII,andR.Ramesh,Appl.Phys.Lett.95,062909(2009).]；但是，可以通过改变薄膜厚度、沉积时的氧压力、薄膜与基底之间产生的应力来调控BiFeO3薄膜的光学带隙[K.Jiang,J.J.Zhu,J.D.Wu,J.Sun,Z.G.Hu,andJ.H.Chu,ACSAppliedMaterials&Interfaces,3,4844(2011).Z.Fu,Z.G.Yin,N.F.Chen,X.W.Zhang,H.Zhang,Y.M.Bai,andJ.L.Wu,Phys.StatusSolidiRRL,6,37(2012).]；另有研究表明多晶BiFeO3薄膜具有一个较窄的光学带隙（2.2eV）和一个大的光电流密度（2.8mA/cm2）[Y.Y.Zang,D.Xie,X.Wu,Y.Chen,Y.X.Lin,M.H.Li,H.Tian,X.Li,Z.Li,H.W.Zhu,T.L.Ren,andD.Plant,Appl.Phys.Lett.99,132904(2011).]；电极材料对多晶BiFeO3薄膜光学性质的影响较大，采用氧化物电极材料的多晶BiFeO3薄膜要比金属材料的具有更大的光伏效应[B.Chen,M.Li,Y.W.Liu,Z.H.Zuo,F.Zhuge,Q.F.Zhan,andR.W.Li,Nanotechnology,22,195201(2011).]；另外，BiFeO3纳米线光学性质的研究也表明其具有较低的光学带隙（2.5eV）[F.Gao,Y.Yuan,K.F.Wang,X.Y.Chen,F.Chen,J.M.Liu,andZ.F.Ren,Appl.Phys.Lett.89,102506(2006).]；可以看出，BiFeO3材料的光伏效应已有很多报道，但所涉及到的大都是体材料或薄膜材料的BiFeO3，低维结构BiFeO3光学性质的研究还少有报道，虽然目前有几篇文献报道了BiFeO3纳米线的制备和光学性质的研究，但所涉及到的仅是纯BiFeO3纳米线阵列，其开路电压、光电流密度等电学性质的研究还未见报道，更未见其他结构的BiFeO3纳米线太阳能电池的报道。本专利技术提出一种BiFeO3纳米线太阳能电池的制备方法，利用纳米线结构提高BiFeO3纳米线太阳能电池的光电转换效率。
技术实现思路
：本专利技术提出一种BiFeO3纳米线太阳能电池的制备方法，利用BiFeO3纳米线结构降低其光学带隙，并提高其对太阳光的吸收，利用Ag纳米线和ITO上电极提高载流子的收集能力，从而达到提高BiFeO3纳米线太阳能电池光电转换效率的目的。实现本专利技术的技术方案为：一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法，包括制备双通的多孔氧化铝模板的步骤、在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤和制备ITO上电极的步骤，其特征在于：在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤和制备ITO上电极的步骤之间进行利用磁控溅射方法在Ag纳米线上包覆一层BiFeO3的步骤，具体的工艺条件为：溅射功率为50-90W，沉积温度为20－3000C，Ar：O2的流量比1:15-11:1，腔体压力为0.01-1Pa，BiFeO3壳层厚度为20-200nm。所述的一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述制备双通的多孔氧化铝模板的步骤为：将高纯铝片进行退火，超声清洗，去除自然氧化层，电化学抛光，进行二次阳极氧化，去除Al基底，通孔，制备出双通的多孔氧化铝模板；所述高纯Al片纯度99.999％，退火温度为450-500℃，退火时间为4-5小时，随炉冷却至室温后取出；超声清洗依次用丙酮、乙醇、去离子水超声3分钟；去除自然氧化层时选用2mol/L的NaOH溶液，温度为60℃，浸入时间为2分钟；电化学抛光选用5vol%硫酸、95vol%磷酸和20g/L铬酸的混合溶液，抛光5分钟，水浴温度为85℃，抛光电流为0.8A或选用25vol%高氯酸和75vol%乙醇，抛光1分钟，水浴温度为10℃，抛光电流密度为0.5mA/cm2；或选用90vol%高氯酸和10vol%乙醇，抛光3分钟，电压为23V；二次阳极氧化过程包括：第一次阳极氧化、去除氧化层和第二次阳极氧化的步骤；第一次阳极氧化的电解液选用0.2-0.4mol/L的草酸，氧化电压为10-160V，温度控制在0-10℃，氧化时间为3-6小时；或选用0.3-1.2mol/L的硫酸，氧化电压为10-160V，温度控制在0-5℃，氧化时间为3-6小时；去除氧化层选用6wt%磷酸和1.5wt%铬酸的混合溶液，600C浸泡6小时；第二次阳极氧化条件与第一次阳极氧化相同，通过控制阳极电压可得到不同孔径大小的多孔氧化铝模板；去除Al基底选用饱和HgCl2溶液、SnCl4溶液或CuCl2溶液；通孔选用6wt%磷酸，30℃，浸泡1小时，制备出双通的多孔氧化铝模板，将双通的多孔氧化铝模板浸入6wt%磷酸中扩孔5－40分钟，可得不同孔径大小的双通氧化铝模板。...

【技术保护点】
1.一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法，包括制备双通的多孔氧化铝模板的步骤、在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤和制备ITO上电极的步骤，其特征在于：在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤和制备ITO上电极的步骤之间进行利用磁控溅射方法在Ag纳米线上包覆一层BiFeO3的步骤，具体的工艺条件为：溅射功率为50-90 W，沉积温度为20－300 0C，Ar：O2的流量比1:15-11:1，腔体压力为0.01-1 Pa，BiFeO3壳层厚度为20-200 nm；/n所述制备双通的多孔氧化铝模板的步骤为：将高纯铝片进行退火，超声清洗，去除自然氧化层，电化学抛光，进行二次阳极氧化，去除Al基底，通孔，制备出双通的多孔氧化铝模板；/n所述高纯Al片纯度99.999％，退火温度为450-500℃，退火时间为4-5小时，随炉冷却至室温后取出；/n超声清洗依次用丙酮、乙醇、去离子水超声3分钟；/n去除自然氧化层时选用2 mol/L的NaOH溶液，温度为60℃，浸入时间为2分钟；/n电化学抛光选用5vol%硫酸、95vol%磷酸和20 g/L铬酸的混合溶液，抛光5分钟，水浴温度为85 ℃，抛光电流为0.8 A或选用25vol%高氯酸和75vol%乙醇，抛光1分钟，水浴温度为10℃，抛光电流密度为0.5 mA/cm2；或选用90vol%高氯酸和10vol%乙醇，抛光3分钟，电压为23 V；/n二次阳极氧化过程包括：第一次阳极氧化、去除氧化层和第二次阳极氧化的步骤；/n第一次阳极氧化的电解液选用0.2-0.4 mol/L的草酸，氧化电压为10-160 V，温度控制在0-10 ℃，氧化时间为3-6小时；或选用0.3-1.2 mol/L的硫酸，氧化电压为10-160 V，温度控制在0-5 ℃，氧化时间为3-6小时；/n去除氧化层选用6wt%磷酸和1.5wt%铬酸的混合溶液，60 0C浸泡6小时；第二次阳极氧化条件与第一次阳极氧化相同，通过控制阳极电压可得到不同孔径大小的多孔氧化铝模板；/n去除Al基底选用饱和HgCl2溶液、SnCl4溶液或CuCl2溶液；/n通孔选用6wt%磷酸，30℃，浸泡1小时，制备出双通的多孔氧化铝模板，将双通的多孔氧化铝模板浸入6wt%磷酸中扩孔5－40分钟，可得不同孔径大小的双通氧化铝模板；/n在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤为：在多孔氧化铝模板的一面溅射Au层作为工作电极，利用电化学沉积方法在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线，去除多孔氧化铝模板；/n采用磁控溅射方法制备Au电极，溅射功率50 W，厚度为40-300 nm；/n电化学沉积以石墨片为阳极，Au为阴极，电解液为300 g/L的AgNO3和45 g/L的H3BO3的混合溶液，用硝酸调节PH值至2－3，电流密度为2－4 mA/cm2，室温沉积8小时；/n去除氧化铝模板选用5wt%的NaOH溶液。/n...

【技术特征摘要】
1.一种铁酸铋纳米线太阳能电池的制备方法，包括制备双通的多孔氧化铝模板的步骤、在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤和制备ITO上电极的步骤，其特征在于：在多孔氧化铝模板中填充Ag纳米线的步骤和制备ITO上电极的步骤之间进行利用磁控溅射方法在Ag纳米线上包覆一层BiFeO3的步骤，具体的工艺条件为：溅射功率为50-90W，沉积温度为20－3000C，Ar：O2的流量比1:15-11:1，腔体压力为0.01-1Pa，BiFeO3壳层厚度为20-200nm；
所述制备双通的多孔氧化铝模板的步骤为：将高纯铝片进行退火，超声清洗，去除自然氧化层，电化学抛光，进行二次阳极氧化，去除Al基底，通孔，制备出双通的多孔氧化铝模板；
所述高纯Al片纯度99.999％，退火温度为450-500℃，退火时间为4-5小时，随炉冷却至室温后取出；
超声清洗依次用丙酮、乙醇、去离子水超声3分钟；
去除自然氧化层时选用2mol/L的NaOH溶液，温度为60℃，浸入时间为2分钟；
电化学抛光选用5vol%硫酸、95vol%磷酸和20g/L铬酸的混合溶液，抛光5分钟，水浴温度为85℃，抛光电流为0.8A或选用25vol%高氯酸和75vol%乙醇，抛光1分钟，水浴温度为10℃，抛光电流密度为0.5mA/cm2；或选用90vol%高氯酸和10vol%乙醇，抛光3分钟，电压为23V；
二次阳极氧化过程包括：第一次阳极氧化、去除氧化层和第二次阳极氧化的步骤；
第一次阳极氧化的电解液选用0.2-0.4mol/L的草酸，氧化电压为10-16...

【专利技术属性】
技术研发人员：游利，
申请(专利权)人：游利，
类型：发明
国别省市：江苏;32