BiFeO3/CH3NH3PbI3异质结构铁电光伏薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种BiFeO3/CH3NH3PbI3异质结构铁电光伏薄膜及其制备方法。BiFeO3/CH3NH3PbI3复合薄膜中BiFeO3为R3c群菱方钙钛矿结构，CH3NH3PbI3为I4cm群的四方钙钛矿结构，且BiFeO3与CH3NH3PbI3之间通过BiO和PbI2层结合。本发明专利技术BiFeO3/CH3NH3PbI3异质薄膜可见光波段吸收率得到了大幅度提升，FTO/BiFeO3/CH3 NH3PbI3/Al光伏器件的光电二极管整流特性得到了增强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及BiFe03/CH3NH3PbI3异质结构铁电光伏薄膜及器件，属于铁电光伏材料器件

技术介绍
BiFeO3(BFO)是目前室温下同时具备磁、电有序的唯一天然单相多铁性材料，由于电、磁、应变之间的耦合作用，可以实现用电场、磁场、应力、铁电序、磁序和应变之间的相互调控，是研宄新型磁电存储器、铁电材料、压电材料和压磁材料的首选材料。BFO室温下属于群菱方钙钛矿结构，其铁电性源于Bi 3+离子的6s2孤对电子，铁电居里温度高达T ~1103K，G-type反铁磁奈耳温度TN?643 K。为了解决日益严峻的能源和环境问题，人们把目光投向了新能源的开发和利用上，在各种新能源材料中，光伏材料是极具有前景的选择之一。自从BFO样品中与铁电极化相关的可反转的二极管整流特性和光伏特性被报道后，掀起了对BFO光伏性能、光致伸缩和光磁耦合性能的研宄热潮。BFO基薄膜优异的可见光波段光伏和光响应特性主要源于其独特的带隙(2.67 eV)和铁电畴连续排布，可引起载流子累积效应并产生大于其带隙的开路电压。但是相比于Si等半导体材料BFO的带隙相对较大，可见光范围光谱的利用率较低，因此需要考虑在BFO薄膜上面涂覆一层带隙小、吸收率较高的光吸收层，使得BFO在保持稳定铁电畴的同时具备较好的可见光光谱响应特性，进一步放大BFO的二极管整流信号，使BFO成为优异的可见光响应光伏器件和太阳能电池材料。BFO的制备方法多为激光脉冲沉积等物理方法和高温烧结，对设备的依赖较高，制备的成本和温度较高，不利于大规模生产，溶胶-凝胶方法的制备工艺简单、成相温度低等优点使其成为大规模生产BFO薄膜的理想方法。传统的硅基太阳能电池虽然实现了产业化，有着较为成熟的市场，但其性价比还无法与CH3NH3PbI3等钙钛矿太阳能电池相竞争，并且制造过程中的污染和能耗问题影响了其广泛应用。因此，研宄和发展高效率、低成本的新型太阳能电池十分必要。在众多的新型太阳能电池里，钙钛矿薄膜太阳能电池近两年脱颖而出，吸引了众多科研工作者的关注，CH3NH3PbI3晶体的光学带隙为1.5 eV，消光系数高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太阳光，可见光利用率高。目前的光电转化效率达到了 19.3%，开路电压达到了 1.13V，并且该材料制备简单，在常温下通过旋涂即可获得均匀薄膜，上述特性使得钙钛矿型结构CH3NH3PbI3不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收，而且所产生的光生载流子不易复合，能量损失小，具有极广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种BiFe03/CH3NH3PbI3异质结构铁电光伏薄膜，以提高BiFeOjP CH 3NH3PbI3的可见光吸收率。本专利技术另一目的是提供上述8丨？603/013见13?1313复合薄膜的制备方法。本专利技术还有一个目的是提供上述BiFeCVCH3NH3PbI3复合薄膜在制备光伏器件中的应用。本专利技术实现过程如下: 一种8丨？603/013順3?1313复合薄膜:BiFe03/CH3NH3PbI3复合薄膜中BiFeO3S似c群菱方钙钛矿结构，CH3NH3PbI3* /介遞的四方钙钛矿结构，且BiFeO 3与CH 3順种13之间通过B1和卩1312层结合，所述BiFeO 3薄膜层厚度为180?260纳米，CH 3NH3PbI3薄膜层厚度为450?550纳米。上述BiFeCVCH3NH3PbI3复合薄膜的制备方法:在基底上涂覆BiFeO 3溶胶，经热处理后形成BiFeCV薄膜层，再在BiFeO 3薄膜层上涂覆CH 3NH3PbI3溶胶，经干燥后形成BiFeO JCH3NH3Pb 13复合薄膜。上述BiFeO3S胶的制备方法:将硝酸铋和硝酸铁溶于乙二醇甲醚，使溶液浓度为0.2?0.5 mol/L，然后加入柠檬酸，使柠檬酸、硝酸铋与硝酸铁的摩尔比为1:1:1，然后用醋酸调节溶液pH至3?5，得到BiFeO3溶胶。上述CH3NH3PbI3S胶的制备方法:等摩尔比的甲胺和氢碘酸溶液反应得CH 3NH3I，将摩尔比为1:1的CH3NH3I和PbI2混合在γ-丁内酯溶液中，在60?80 °C静置得到CH3NH3Pb I3 溶胶。上述BiFeO3溶胶热处理温度为450?550°C，干燥温度为60?80°C。本专利技术BiFeCVCH3NH3PbI3复合薄膜可应用于制备CH 3NH3PbI3基太阳能电池，具体地说，是在玻璃基底上涂覆FTO层，FTO层上涂覆BiFeO3溶胶材料，经热处理形成BiFeO 3薄膜层，再在BiFeCV薄膜层上涂覆CH 3NH3PbI3溶胶材料，经干燥后形成BiFeO J 013见^^13复合薄膜，在BiFe03/CH3NH3PbI3双层薄膜上涂覆Al电极。本专利技术BiFeCVCH3NH3PbI3复合薄膜还可应用于制备BiFeO 3基铁电光伏二极管整流器件。相对于现有技术，本专利技术的有益效果在于: (I)本专利技术的溶胶-凝胶湿化学方法制备的BiFeO3材料制备方法简单，相比较于传统的物理方法(传统成相温度多为800°C )，BiFeO3成相温度较低(500°C )，CH3NH3PbI3的制备温度也较(70°C )，易于大规模生产。(2)本专利技术的BiFeO3/ CH3NH3PbI3双层薄膜具有多晶结构，BiFeO 3和CH 3NH3Pblj9各个衍射峰清晰可辨，且BiFeO^ CH 3順种13之间通过B1和PbI 2层结合，界面电势差较大，能有效的分离光生载流子。(3)本专利技术将BiFeOjA#电性能引入到CH 3NH3PbI3光吸收层中，BiFeOjA铁电畴结构可以进一步的分离CH3NH3PbI3*的光生载流子。对本专利技术的双层薄膜进行测试和分析，BiFeOj^铁电畴能有效的提升CH 3NH3Pblj^光电二极管整流特性，可进一步应用于铁电光伏二极管整流器件。(4) CH3NH3PbI^aB体的带隙较小，可见光吸收率高，通过B1和PbI 2层结合的界面模式，使得CH3NH3PbI3的光生载流子复合率进一步减小，从而提升CH 3NH3PbI3基平面钙钛矿太阳能电池的光伏性能。对本专利技术的双层薄膜进行测试和分析，其透过率相对于单层薄膜较小，表明其可见光波段吸收率得到了大幅度提升，可应用于新一代太阳能电池。【附图说明】图1为实施例7制备的BiFe03/CH3NH3PbI3?层薄膜的晶体结构图； 图2为实施例7制备的BiFeCVCH3NH3PbI3双层薄膜的TEM截面形貌； 图3为实施例7制备的异质薄膜BiFeO3—侧的TEM高分辨形貌； 图4为实施例7制备的FT0/BiFe03/CH3NH3PbI3/Al光伏器件图； 图5为实施例7制备的CH3NH3PbI3薄膜的X射线衍射图谱； 图6为实施例7制备的BiFeCV薄膜的X射线衍射图谱； 图7为实施例7制备的BiFeCV薄膜、CH 3NH3PbI3薄膜和BiFeO 3/CH3NH3PbI3双层薄膜的光透过率曲线； 图8为实施例7制备的BiFeCV薄膜的J_V曲线； 图9为实施例7制备的CH3NH3PbI3薄膜的J-V曲线； 图10为实施例7制备的FT0/BiFe03/CH3NH3PbI3/Al光伏器件的J-V本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种BiFeO3/CH3NH3PbI3复合薄膜，其特征在于：BiFeO3/CH3NH3PbI3复合薄膜中BiFeO3为R3c群菱方钙钛矿结构，CH3NH3PbI3为I4cm群的四方钙钛矿结构，且BiFeO3与CH3NH3PbI3之间通过BiO和PbI2层结合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冯宏剑，王明梓，杨永涛，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61