有机无机界面修饰层改善铁酸铋薄膜太阳能电池的光伏性能
作者：互联网
研究背景
铁酸铋（BiFeO3）是常温下既具有铁电性能又具有反铁磁性的多铁性材料，其铁电居里温度和反铁磁奈尔温度较高，且远高于室温。BFO的剩余极化强度较大，通常Pr能达到140 µC/cm2，和较小的带隙宽度（2.1～2.6 eV），光伏效应不受禁带宽度限制，并且具有较大的光吸收系数，引起了太阳能电池领域科研人员的关注，因此探索BFO材料在光伏器件中的应用具有更为深远的意义。
研究发现，界面修饰层能在一定程度上改善上层晶体管材料的生长，从而改变器件的场效应迁移率，界面修饰层对太阳能电池结构中载流子的迁移率也有非常重要的影响。曹大威等通过对比PZT、BNT等铁电薄膜的光伏性能，认为增大界面材料之间的肖特基势垒高度差能够在一定程度上提高铁电薄膜的光伏特性。而石墨烯作为优良的空穴传输材料已被广泛用于太阳能电池性能的研究中，以此来提高载流子的传输速率，从而优化界面结构。
采用传输性能好的石墨烯材料对铁酸铋薄膜表面进行界面修饰，可以优化界面结构，从而改善铁酸铋薄膜光伏结构的性能。作为研究比较广泛的有机硅烷，十八烷基三氯硅烷（OTS）以自组装膜的形式应用在各个领域，但以蒸发沉积方法制备较厚的镀膜及厚膜对修饰层结构和性能的影响研究极少。
创新点及解决的问题
采用溶胶-凝胶法旋涂铁酸铋（BiFeO3）薄膜，并结合层层退火工艺获得结晶良好的纯相BiFeO3晶体。实验引入了还原氧化石墨烯（RGO）和十八烷基三氯硅烷（C18H37SiCl3，OTS）作为界面修饰材料，研究不同界面修饰材料对BFO薄膜光伏器件结构和光伏性能的影响。结果发现，RGO既能增加器件的开路电压（Voc，从0.67 V到0.84 V），又能明显提高填充因子（FF，从0.664到0.965）和光电转换效率（PCE，从1.03到1.67），是比较理想的界面修饰材料；虽然OTS膜不能提高器件的FF和PCE，但在提高Voc（从0.67 V到1.15 V）上作用明显；既RGO和OTS修饰层对BFO薄膜光伏性能的改善具有不同的作用。
重点内容导读
1 实验材料和方法
1.1 实验原料及设备
1.2 实验方法
1.2.1 BFO薄膜的制备
1.2.2 界面修饰层的制备
（a）
（b）
图1 界面修饰层制备流程图（a）及结构示意图（b）
1.3 表征与测试
2 实验结果与讨论
2.1 光伏结构XRD分析
图2 不同界面材料修饰后样品的XRD图谱
2.2 SEM形貌表征
图3 不同界面材料修饰器件的SEM断面图。（a）BFO；（b）BFO/RGO；（c）BFO/OTS；（d）BFO/OTS/RGO
图4 不同界面材料修饰器件的J-V曲线
结 论
（1）XRD图谱分析可知，实验采用溶胶-凝胶法旋涂并结合层层退火工艺成功制备出了纯相的BiFeO3晶体薄膜，晶体属于R3c空间群，同时采用紫外还原的方法成功获得了还原的氧化石墨烯，不同的修饰材料对BFO物相都未造成影响。
（2）SEM断面形貌对比结果表明RGO和OTS作为界面修饰材料与BFO薄膜具有很好的兼容性，与BFO之间结构紧凑，边界清晰可见。
（3）由光伏性能测试结果得知，OTS修饰层对器件Voc的提高比RGO作用大很多，而RGO则有助于器件获得更高的FF，RGO和OTS对BFO薄膜光伏器件的性能具有不同的影响。
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