利用氢化非晶硅薄膜和氧化银纳米颗粒改善掺钕钛酸铋铁电薄膜的光伏效应研究

Compared with the built-in field of pn junction, the field of ferroelectric film due to the aligned remnant polarizaiton exists in the whole film, which can lead to huge open-circuit photovoltage (15V) and be swicthed under the external poling field. However, ferroelectric films can not absorb the visual light of the sunlight due to their large band gaps. Furthermore, in the electrode/ferroelectric-film/electrode capacitor, there are a pare of "back-to-back" Schottky barriers at top and bottom film/electrodes, which can result in a low photovoltaic efficience. In this project, Nd doped bismuth titanate ferroelectric film (BNT) is selected as the object of study. In ITO/BNT/Ag capacitor, an amorphous hydrogenate sillicon film (a-Si:H) with low band gap (about 1.9 eV) will be inserted between BNT and Ag formimg the ITO/BNT/a-Si:H/Ag structure, in which the direction of the filed due to the aligned remnant polarization can be modulated to that of the field of ITO/BNT interface Schottky barrier. The inserting of a-Si:H could eliminate the Schottky barrier of BNT/Ag interface because the contact between a-Si:H and Ag is ohmic, and a-Si:H can absorb shorter wavelength visual light of the sunlight. Furthermore, nano particals of silver oxide (Ag2O) with 1.2 eV band gap introduced into the center of BNT film could absorb longer wavelength visual light of the sunlight. In this project, we will devote ourselves to study the mechanism behind the photovotaic effect of ferroelectric film and improve the power conversion efficience.

与pn结的内建电场相比，铁电薄膜中剩余极化排列取向形成的内建电场贯穿整个薄膜内部，从而获得巨大的开路电压（15V）；该内建电场在外加电场的作用下能发生反转。然而，铁电薄膜具有较大的禁带宽度，无法吸收太阳光中大部分的可见光；传统电容器结构的铁电薄膜，具有"背靠背"界面肖特基势垒，导致光伏发电效率较低。本项目以掺钕钛酸铋（BNT）铁电薄膜为研究对象，在ITO/BNT/Ag结构中插入一层低禁带宽度（1.9eV）的氢化非晶硅薄膜（a-Si:H），形成ITO/BNT/a-Si:H/Ag结构。以ITO/BNT界面肖特基势垒和BNT薄膜剩余极化构成首尾相连的内建电场，a-Si:H/Ag之间形成欧姆接触（消除BNT/Ag界面肖特基势垒），并利用a-Si:H薄膜吸收短波长可见光；在BNT薄膜内部包裹禁带宽度1.2eV的氧化银纳米颗粒，吸收长波长可见光。本项目致力于研究铁电薄膜光伏效应机制，提高光伏发电效率。

目前，商业化晶体硅太阳能电池的发电效率已经接近上限，而生产成本也很难进一步大幅下降（晶体硅电池生产过程是高污染高能耗的），因此，寻找低成本高效新型太阳能电池材料成为当务之急。钙钛矿被认为是有潜力的新型太阳能电池材料之一。无机铁电材料具有低成本的优势，但其禁带宽度较大，不能吸收可见光，从而导致光电流较小。本项目在无机铁电薄膜的基础上，引入非晶硅、纳米Ag等可见光吸收材料，拓宽无机铁电薄膜的吸收光谱。开展工作如下：.首先，通过优化制备工艺对比研究不同铁电薄膜（BIT、BNT、BFO、PZT等）、复合铁电薄膜（BIT/PZT、BIT/BFO、PZT/BFO等），获得了高剩余极化、低漏电流的铁电薄膜。.其次，在对比研究几种常见的铁电薄膜的基础上，制备并研究了本征、n型和p型非晶硅薄膜（a-Si）的导电类型，载流子浓度等参数对铁电/非晶硅异质结太阳能电池的影响，实现了能带结构相匹配的铁电/非晶硅异质结太阳能薄膜电池，有效拓宽了铁电薄膜的光谱响应。复合薄膜的最大开路电压和最大短路电流分别为1.3V和2.6mA/cm2（复合薄膜开路电压增加2倍以上，而短路电流则增加了50倍左右）。.然后，在铁电薄膜中引入具有表面等离激元效应的金属离子（如Ag、Au等），增加可见光吸收。在铁电薄膜表面镀上Ag时，有效改善了铁电薄膜对可见光的吸收（开路电压和短路电流最大分别提高了1.5倍和20倍）。.综上所述，以无机铁电薄膜为基础的太阳能电池，虽然发电效率(1.25%)得到了极大的提高，但跟商业化的太阳能电池(20%)相比，还有很大差距，需要进一步探索。