一種Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控方法，包括以下步驟：步驟(1)，采用溶膠凝膠方法制備稀土元素?fù)诫s的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜；步驟(2)，向Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜兩級(jí)施加周期性外電場(chǎng)調(diào)控其光學(xué)帶隙。通過稀土元素?fù)诫s和周期性外電場(chǎng)的共同作用，實(shí)現(xiàn)了Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光學(xué)帶隙由3.01eV窄化為2.47eV，從而使得其光伏響應(yīng)從紫外光區(qū)向可見光區(qū)出現(xiàn)移動(dòng)，拓寬了光譜響應(yīng)范圍，同時(shí)還進(jìn)一步提升了鐵電薄膜極化性能，減少了疲勞現(xiàn)象的發(fā)生，大大提高了Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜作為太陽(yáng)能光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于陶瓷組合物領(lǐng)域，特別是涉及一種Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控方法、一種Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜和一種具有Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜的光伏電池。
技術(shù)介紹
開發(fā)成本低廉、無污染、轉(zhuǎn)換效率高的太陽(yáng)能電池，是充分利用太陽(yáng)能這一清潔能源，解決各類能源短缺和環(huán)境污染的有效途徑。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的光伏電壓受到半導(dǎo)體材料電子帶隙(Eg)的制約，限制了其進(jìn)一步大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。傳統(tǒng)鐵電材料的電流密度較小且電子帶隙偏大(約3.5eV)，需要在紫外光的照射下才會(huì)有較大光電流產(chǎn)生，作為太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率過低。窄帶隙單相多鐵材料BiFeO3由于其電子帶隙相對(duì)較窄(約2.67eV)，對(duì)應(yīng)的光子吸收頻率在可見光范圍之內(nèi)，具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。特別是Bi5Ti3FeO15作為一種環(huán)境友好的無鉛基多鐵材料，具有優(yōu)異的鐵電性和漏電性能。但是，Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜作為太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)材料，仍存在電子帶隙過大、光子吸收頻率范圍較小、鐵電極化較小、光電轉(zhuǎn)換效率低等問題。同時(shí)，鐵電光伏效應(yīng)來源于在電疇疇壁附近電子和空穴對(duì)的分離，
鐵電極化性能對(duì)光伏效應(yīng)將產(chǎn)生非常重要的影響。Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜在周期性電場(chǎng)作用下，極化性能通常會(huì)出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，電疇的翻轉(zhuǎn)變得非常困難，從而導(dǎo)致鐵電極化性能下降，進(jìn)一步降低了光電轉(zhuǎn)換效率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種操作步驟簡(jiǎn)便效果顯著、可靠性高的利用稀土摻雜和周期性電場(chǎng)調(diào)控Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光伏效應(yīng)的方法，一種光學(xué)帶隙窄、抗疲勞性能強(qiáng)的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜，以及一種具有所述Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能光伏電池。一種Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控方法，包括以下步驟：步驟(1)，制備稀土元素?fù)诫s的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜；步驟(2)，向Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜兩級(jí)施加周期性外電場(chǎng)。所述步驟(1)采用溶膠凝膠方法，。通過稀土元素?fù)诫s和周期性外電場(chǎng)的共同作用，實(shí)現(xiàn)了Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光學(xué)帶隙的窄化，使得光伏響應(yīng)由純相薄膜的近紫外光區(qū)向可見光區(qū)移動(dòng)，拓寬了光譜響應(yīng)范圍，同時(shí)其鐵電光伏效應(yīng)的抗疲勞性能也大大提高。進(jìn)一步，步驟(1)中所述稀土元素為Ho，摻雜的摩爾比例為1～20％。在配置Bi5Ti3FeO15前軀體溶液時(shí)，通過添加硝酸鈥(Ho(NO3)3·9H2O)實(shí)現(xiàn)稀土元素Ho的摻雜；Bi含量按照化學(xué)計(jì)量比過量10％，以彌補(bǔ)在熱處理過程中Bi的揮發(fā)；前軀體溶液濃度為0.2mol/L。進(jìn)一步，步驟(2)中所述的周期性外電場(chǎng)為三角波、正弦波或梯形波的脈沖。其中優(yōu)選為三角波脈沖，以避免瞬間施加高電場(chǎng)導(dǎo)致的電場(chǎng)突變，造成的薄膜被擊穿。進(jìn)一步，所述脈沖峰值為150～250kV/cm。電場(chǎng)脈沖峰值優(yōu)選為200kV/cm。施加的電場(chǎng)高于250kV/cm，會(huì)導(dǎo)致薄膜被反復(fù)施加的電場(chǎng)擊穿，而施加的電場(chǎng)太低會(huì)導(dǎo)致電疇翻轉(zhuǎn)不完全，不能達(dá)到電疇反復(fù)翻轉(zhuǎn)的目的。進(jìn)一步，所述脈沖頻率為10～100kHz，施加的電循環(huán)的次數(shù)為106～1010次。優(yōu)選脈沖頻率為50kHz，施加的電循環(huán)次數(shù)為1010次，這樣可以在不耗費(fèi)過長(zhǎng)時(shí)間的前提下，獲得較好的薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控效果。進(jìn)一步，所述步驟(1)中摻雜稀土元素為Ho，摻雜摩爾比例為10％；所述步驟(2)中周期性外電場(chǎng)為三角波脈沖，所述脈沖峰值為200kV/cm、頻率為50kHz，施加的電循環(huán)次數(shù)為1010次。一種Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜，根據(jù)所述的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控方法制備而成。所述Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜的光學(xué)帶隙為2.47eV，相對(duì)傳統(tǒng)的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜，實(shí)現(xiàn)了其光伏響應(yīng)從紫外光區(qū)向可見光區(qū)的移動(dòng)。一種太陽(yáng)能光伏電池，具有上述Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜結(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)利用稀土元素?fù)诫s和周期性電場(chǎng)共同調(diào)控Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光學(xué)帶隙的方法，實(shí)現(xiàn)了Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光學(xué)帶隙由3.01eV窄化為2.47eV，從而使得其光伏響應(yīng)從紫外光區(qū)向可見光區(qū)出現(xiàn)移動(dòng)，
拓寬了光譜響應(yīng)范圍，同時(shí)還進(jìn)一步提升了鐵電薄膜極化性能，減少了疲勞現(xiàn)象的發(fā)生，大大提高了Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜作為太陽(yáng)能光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。附圖說明圖1為本專利技術(shù)采用的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光伏效應(yīng)的譜相應(yīng)和J-V特性測(cè)試系統(tǒng)示意圖；圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的純相和Ho摻雜Bi5Ti3FeO15薄膜的X射線衍射圖；圖3為不同強(qiáng)度周期性外電場(chǎng)的條件下，對(duì)本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的純相和Ho摻雜Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜的鐵電性的調(diào)控；圖4為不同頻率周期性外電場(chǎng)的條件下，對(duì)本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的純相和Ho摻雜Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜的介電性的調(diào)控；圖5為本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的純相和Ho摻雜的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜的鐵電光伏效應(yīng)的光譜響應(yīng)；圖6為對(duì)本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的純相和Ho摻雜的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜的鐵電光伏效應(yīng)的電流-電壓特性的調(diào)控。圖1中的附圖標(biāo)記為：1-氙燈光源、2-光學(xué)斬波器、3-光纖、4-光學(xué)濾波器、5-光柵單色儀、6-暗室、7-樣品托、8-襯底、9-薄膜、10-電極、11-鎖相放大器、12-2400數(shù)字源表、13-阻抗分析儀、14-測(cè)試系統(tǒng)具體實(shí)施方式以下結(jié)合實(shí)施例1至5和附圖1至6，進(jìn)一步說明本專利技術(shù)鐵電薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控方法、鐵電薄膜和太陽(yáng)能光伏電池的具體實(shí)施方式和產(chǎn)生效果。本專利技術(shù)鐵電薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控方法、鐵電薄膜和太陽(yáng)能光伏電池不限于以下實(shí)施例的描述。本專利技術(shù)Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜的調(diào)控、制備和測(cè)試步驟如下：第一步：制備純相的和稀土摻雜Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜。將純相的Bi5Ti3FeO15和Ho摻雜的Bi5Ti3FeO15前軀體溶液旋涂在襯底上并在加熱平臺(tái)上烘干以去除其中的有機(jī)成分，在氧氣氣氛和700℃下快速退火5分鐘，重復(fù)18次獲得需要的薄膜的厚度，將沉積得到的純的以及稀土摻雜的Bi5Ti3FeO15薄膜在氧氣氣氛、700℃下快速退火30分鐘獲得純相的和稀土摻雜的Bi5Ti3FeO15薄膜，最后在薄膜上表面蒸鍍直徑是200微米的金電極。其中，配制Bi5Ti3FeO15前軀體溶液優(yōu)選乙二醇作為溶劑，將硝酸鉍(Bi(NO3)3·5H2O)、硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)、硝酸鈥(Ho(NO3)3·9H2O)和鈦酸四丁酯(Ti(C4H9O)4)分別溶解于乙二醇后混合。在計(jì)算溶液化學(xué)劑量比時(shí)，優(yōu)選Bi含量過量10％，以彌補(bǔ)在熱處理過程中Bi的揮發(fā)。前軀體溶液濃度控制在0.2mol/L。襯底優(yōu)選鉑的硅片(Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100))，該襯底通過在(100)取向單晶Si上依次外延生長(zhǎng)SiO2、Ti和Pt而形成。薄膜的旋涂速度優(yōu)選為400轉(zhuǎn)/分鐘旋涂15秒后，再以4000轉(zhuǎn)/分鐘旋涂50秒，加熱烘干的溫度優(yōu)選250℃。第二步：向第一步制備的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜兩極施加周期性外
電場(chǎng)。利用圖1所示的測(cè)試系統(tǒng)提供周期性外電場(chǎng)，通過探針分別與Bi5Ti3FeO15鐵電本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟(1)，制備稀土元素?fù)诫s的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜；步驟(2)，向Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜兩級(jí)施加周期性外電場(chǎng)。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟(1)，制備稀土元素?fù)诫s的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜；步驟(2)，向Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜兩級(jí)施加周期性外電場(chǎng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于：步驟(1)中所述稀土元素為Ho，摻雜的摩爾比例為1～20％。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于：步驟(2)中所述的周期性外電場(chǎng)為三角波、正弦波或梯形波脈沖中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的Bi5Ti3FeO15鐵電薄膜光伏效應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于：所述脈沖...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙世峰，白玉龍，陳介煜，唐哲紅，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：內(nèi)蒙古大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：內(nèi)蒙古;15
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