类钙钛矿结构铁酸铋材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种类钙钛矿结构铁酸铋材料及其制备方法和应用，所述类钙钛矿结构铁酸铋材料的化学通式为Bi1‑

【技术实现步骤摘要】
类钙钛矿结构铁酸铋材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于铁电光伏材料领域。具体地，本专利技术涉及一种类钙钛矿结构铁酸铋材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着能源危机与环境恶化，人类对可持续供给的清洁能源需求与日剧增。太阳能作为可再生能源，被认为是未来能源结构的基础。光伏技术是太阳能利用的重要形式之一，其基本太阳能电池可通过“光生伏特效应”(PV)直接将太阳能转化为电能。1961年Shockley与Queisser提出单结PN结太阳能电池的细致平衡效率极限理论(SQL理论)，预测了单结太阳能电池的最佳能带结构以及最高转换效率。上世纪末，太阳能电池的研究领域已从单晶硅扩展到各种薄膜太阳能电池。近年来，PV系统不断发展，太阳能在全球能源市场占有率也随之提高。然而，这些电池的转换效率尚未能突破SQ极限。目前，新材料结合纳米技术快速发展的新型太阳能电池，如染料敏化、有机、量子点以及杂化钙钛矿太阳能电池等虽然取得了较大突破，然而其转化效率或长期稳定性仍然严重制约了其实际运用。因而，探索长期稳定、成本低、有希望突破SQ极限的铁电光伏电池是一个重要的研究领域。
[0003]铁电性的特点是根据其结构产生的自发极化，与普通的偶极极化相比，铁电材料总是处在一种极化态，当外加电场大于矫顽场时，可以改变其极化状态，从而可被一个场在两个或更多个态之间调控。半个世纪以前，人们已经在铁电材料中发现了一种“体光伏效应(BPVE)”，在铁电体吸收光而产生的位移电流(Shift Current)作用下，载流子将电子和空穴对转移至电极，因此普遍认为铁电材料的光伏效应起源于其非中心对称产生的自发极化或畴壁效应。不同于传统的半导体PN结太阳能电池，铁电材料的开路电压(V
OC
)与极化强度以及电极间距离相关联，可以超出肖克利原理范围，V
OC
不再受限于其禁带宽度，甚至可比禁带宽度高出2
‑
4个数量级，达103‑
105V/cm。
[0004]尽管开路电压可以达到很高，但由于铁电体普遍属于宽禁带材料，电极间的界面功函数也会影响短路电流(I
SC
)，因此铁电材料长期以来并不受太阳能电池领域重视。2013年，宾夕法尼亚大学Rappe研究组在Nature上发表的一篇论文很大程度上重新激发了人们对铁电光伏材料的研究兴趣，他们制备出一种单相固体氧化物(K,Ba)(Ni,Nb)O3‑
δ
，不仅把能带从3.8eV调到1.1eV，还得到了高光电流密度。随着BiFeO3(BFO)铁电薄膜研究的兴起，其较小的光学带隙(约2.7eV)迅速成为了铁电光伏效应研究的新宠儿。然而，目前制备的铁电光伏材料的性能较差，光电转化率低，且生产成本高，不易实现工业化生产。
[0005]因此，如何提供一种性能优异，光电转化率高，且生产成本低，易于实现工业化生产的铁电光伏材料成为本领域亟待解决的课题。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种类钙钛矿结构铁酸铋材料及其制备方法，该类钙钛矿结构铁酸铋材料性能优异，具有较高的光电转化效率，在保持铁电性的同时
提升光生电流，生产成本低，且制备工艺稳定可靠，易于实现工业化生产。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供一种类钙钛矿结构铁酸铋材料，其化学通式为Bi1‑
x
Gd
x
Fe1‑
y
Mn
y
O3，并以硝酸铋、硝酸钆、硝酸铁和乙酸锰为原料制成。
[0008]在一些实施方案中，所述类钙钛矿结构铁酸铋材料以Bi(NO3)3·
5H2O、Gd(NO3)3·
6H2O、Fe(NO3)3·
9H2O和Mn(CH3COO)2·
4H2O为原料制成。
[0009]在一些实施方案中，通式Bi1‑
x
Gd
x
Fe1‑
y
Mn
y
O3中，x＝0.15，y＝0、0.04、0.08、0.12或0.15；优选x＝0.15，y＝0.12；
[0010]优选地，当x＝0.15，y＝0.12时，所述类钙钛矿结构铁酸铋材料的带隙E
g
＝1.96eV。
[0011]本专利技术进一步提供如上所述的类钙钛矿结构铁酸铋材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]步骤a：将硝酸铋、硝酸钆、硝酸铁和乙酸锰分别溶解于乙二醇甲醚中，然后将溶液混合、加热、搅拌，形成均匀的溶胶；
[0013]步骤b：将步骤a中得到的溶胶静置、陈化，得到类钙钛矿结构铁酸铋材料前驱体；
[0014]步骤c：对基底进行清洗处理，随后使用溶胶
‑
凝胶工艺将类钙钛矿结构铁酸铋材料前驱体进行旋涂制膜，得到湿膜；
[0015]步骤d：将步骤c制备的湿膜退火、结晶，得到类钙钛矿结构铁酸铋材料。
[0016]在一些实施方案中，当y＝0.04、0.08、0.12或0.15时，所述步骤a具体包括：将硝酸铋和硝酸钆分别溶解于乙二醇甲醚中，得到硝酸铋的乙二醇甲醚溶液和硝酸钆的乙二醇甲醚溶液，并将硝酸铋的乙二醇甲醚溶液和硝酸钆的乙二醇甲醚溶液混合，得到乙二醇甲醚混合液A；然后将硝酸铁和乙酸锰分别溶解于乙二醇甲醚中，得到硝酸铁的乙二醇甲醚溶液和乙酸锰的乙二醇甲醚溶液，并将硝酸铁的乙二醇甲醚溶液和乙酸锰的乙二醇甲醚溶液混合，得到乙二醇甲醚混合液B，随后将乙二醇甲醚混合液A和乙二醇甲醚混合液B混合，加热，搅拌，得到乙二醇甲醚混合液C；将乙酸酐和柠檬酸混合搅拌后，与乙二醇甲醚混合液C混合，反应后再加入乙二醇甲醚定容，加热搅拌，形成均匀的溶胶；
[0017]当y＝0时，所述步骤a具体包括：将硝酸铋和硝酸钆分别溶解于乙二醇甲醚中，得到硝酸铋的乙二醇甲醚溶液和硝酸钆的乙二醇甲醚溶液，并将硝酸铋的乙二醇甲醚溶液和硝酸钆的乙二醇甲醚溶液混合，得到乙二醇甲醚混合液A；然后将硝酸铁溶解于乙二醇甲醚中，得到硝酸铁的乙二醇甲醚溶液B，随后将乙二醇甲醚混合液A和乙二醇甲醚溶液B混合，加热，搅拌，得到乙二醇甲醚混合液C；将乙酸酐和柠檬酸混合搅拌后，与乙二醇甲醚混合液C混合，反应后再加入乙二醇甲醚定容，加热搅拌，形成均匀的溶胶。
[0018]在一些实施方案中，所述步骤a中，加入乙二醇甲醚定容后，在38℃下加热搅拌4h，形成均匀的溶胶；
[0019]优选地，所述步骤a中，加入乙二醇甲醚定容后，硝酸铋的浓度为0.285mol/L；
[0020]优选地，所述步骤a中，加入乙二醇甲醚定容后，硝酸钆的浓度为0.045mol/L；
[0021]优选地，所述步骤a中，加入乙二醇甲醚定容后，硝酸铁的浓度为0.255mol/L至0.3mol/L，优选0.263mol/L；
[0022]优选地，所述步骤a中，加入乙二醇甲醚定容后，乙酸锰的浓度为0至0.045mol/L，优选0.035mol/L。
[0023]在一些实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种类钙钛矿结构铁酸铋材料，其化学通式为Bi1‑
x
Gd
x
Fe1‑
y
Mn
y
O3，并以硝酸铋、硝酸钆、硝酸铁和乙酸锰为原料制成。2.根据权利要求1所述的类钙钛矿结构铁酸铋材料，其特征在于，所述类钙钛矿结构铁酸铋材料以Bi(NO3)3·
5H2O、Gd(NO3)3·
6H2O、Fe(NO3)3·
9H2O和Mn(CH3COO)2·
4H2O为原料制成。3.根据权利要求1所述的类钙钛矿结构铁酸铋材料，其特征在于，通式Bi1‑
x
Gd
x
Fe1‑
y
Mn
y
O3中，x＝0.15，y＝0、0.04、0.08、0.12或0.15；优选x＝0.15，y＝0.12；优选地，当x＝0.15，y＝0.12时，所述类钙钛矿结构铁酸铋材料的带隙E
g
＝1.96eV。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的类钙钛矿结构铁酸铋材料的制备方法，包括以下步骤：步骤a：将硝酸铋、硝酸钆、硝酸铁和乙酸锰分别溶解于乙二醇甲醚中，然后将溶液混合、加热、搅拌，形成均匀的溶胶；步骤b：将步骤a中得到的溶胶静置、陈化，得到类钙钛矿结构铁酸铋材料前驱体；步骤c：对基底进行清洗处理，随后使用溶胶
‑
凝胶工艺将类钙钛矿结构铁酸铋材料前驱体进行旋涂制膜，得到湿膜；步骤d：将步骤c制备的湿膜退火、结晶，得到类钙钛矿结构铁酸铋材料。5.根据权利要求4所述的类钙钛矿结构铁酸铋材料的制备方法，其特征在于，当y＝0.04、0.08、0.12或0.15时，所述步骤a具体包括：将硝酸铋和硝酸钆分别溶解于乙二醇甲醚中，得到硝酸铋的乙二醇甲醚溶液和硝酸钆的乙二醇甲醚溶液，并将硝酸铋的乙二醇甲醚溶液和硝酸钆的乙二醇甲醚溶液混合，得到乙二醇甲醚混合液A；然后将硝酸铁和乙酸锰分别溶解于乙二醇甲醚中，得到硝酸铁的乙二醇甲醚溶液和乙酸锰的乙二醇甲醚溶液，并将硝酸铁的乙二醇甲醚溶液和乙酸锰的乙二醇甲醚溶液混合，得到乙二醇甲醚混合液B，随后将乙二醇甲醚混合液A和乙二醇甲醚混合液B混合，加热，搅拌，得到乙二醇甲醚...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭，马国斌，杨松，徐蕾，邓朝勇，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：