无机钙钛矿铁电薄膜带隙窄化机制及光生载流子高效分离的铁电-半导体复合型太阳能电池研究

The open-circuit voltage of ferroelectric photovoltaic devices can be as high as 10000 V, but the short-circuit current is quite small because of wide band gap of ferroelectric materials; Although CuInS2 thin-film solar cells have high photo-generated current, their open-circuit voltage is low. In this project, we plan to prepare [(K0.43Na0.57)0.94Li0.06][(Nb0.94Sb0.06)0.95Ta0.05]O3 (KNFLNST) ferroelectric film with narrow band gap and large remnant polarization by pulsed laser deposition technique and introduce it into the P-N junction of CuInS2 solar cells. By obtaining good matching between CuInS2/Zn(O,S), Zn(O,S)/ZnO and ZnO/KNFLNST interfaces in crystal lattice and electronic band structures, building CuInS2/Zn(O,S)/ZnO/ KNFLNST ferroelectric-semiconductor composite thin-film solar cells involving ferroelectric depolarization and P-N junction built-in electric fields. The introduction of KNFLNST ferroelectric thin film can increase visible-light-absorbing ability and the jointly function of both ferroelectric depolarization and P-N junction electric fields enhances greatly the separation of photo-generated carrier, carrier transport ability, the open-circuit and thus high photovoltaic conversion efficiency is expected.

铁电光伏器件开路电压最高可达10000V，短路电流却因为铁电材料带隙较宽而很小；CuInS2电池光生电流大，开路电压却较低。本项目拟利用脉冲激光沉积法制备窄带隙大剩余极化强度的Fe3+掺杂[(K0.43Na0.57)0.94Li0.06][(Nb0.94Sb0.06)0.95Ta0.05]O3（KNFLNST）铁电薄膜，并将其引入到CuInS2 P-N结电池中；通过CuInS2/Zn(O,S)，Zn(O,S)/ZnO和ZnO/KNFLNST界面处晶格结构和电子能带结构的优化配置，构筑新型铁电退极化场和P-N结内建电场协同增强型CuInS2/Zn(O,S)/ZnO/KNFLNST铁电-半导体复合型薄膜电池。窄带隙KNFLNST铁电层的插入可增加太阳光的吸收，而两场协同叠加作用能增强光生载流子分离能力、提高载流子迁移率和增加开路电压，从而可望获得高光电转换效率。

铁电光伏器件具有高的开路电压，短路电流却因为铁电材料带隙较宽而很小；半导体太阳能电池光生电流大，开路电压却较低。本项目研制出了窄带隙、大剩余极化强度Mn掺杂K0.5Na0.5NbO3基无铅铁电光伏材料，并探讨了其带隙窄化和极化强度提高的机制。以ZnO陶瓷为靶材，通过在Mo/Cu(In,Ga)Se2（CIGS）衬底上生长ZnO薄膜制备了Mo/CIGS/ZnO/ITO结构的P-N结太阳能电池。系统研究了ZnO薄膜生长温度对器件性能的影响并证实ZnO生长温度为100℃时制备的CIGS基太阳能电池具有最高的光电转换效率。通过在ZnO和CIGS薄膜间插入一层带隙介于这两种薄膜之间的N型缓冲层CdS，解决了ZnO和CIGS能带匹配问题，并起到保护光吸收层表面，增加电池耗尽区宽度的作用，从而极大地提高了太阳能电池的性能。采用溶胶凝胶法制备出了晶粒尺寸约为80nm且粒度分布均匀的BaTiO3（BTO）铁电纳米颗粒，并将其旋涂在了Mo/CIGS/CdS膜的表面。利用脉冲激光沉积工艺在Mo/CIGS/CdS/BTO多层膜上生长出了ZnO和ITO薄膜，进而通过蒸镀Au电极制备出了Mo/CIGS/CdS/BTO/ZnO/ITO/ Au结构的铁电-半导体复合型太阳能电池。实验结果显示，当铁电退极化场的方向与器件P-N结内建电场方向一致时，器件的光电转化效率得到了明显增强。这主要归因于两场协同叠加作用能极大加强光生载流子分离能力和提高载流子迁移率。采用wxAMPS-1D软件模拟了BTO铁电层的引入对铁电-半导体复合型太阳能电池性能的影响。模拟结果发现相比无铁电层的太阳能电池，在缓冲层CdS和窗口层ZnO之间加入BTO之后，由于光生载流子分离能力的增强，器件的短路电流得到了显著增加，器件的光电转换效率有了明显提高。项目组通过构建Pb0.93La0.07(Zr0.2Ti0.8)0.9825O3/TiO2铁电-半导体复合型异质结自供电紫外探测器进一步证实了铁电退极化场和内建电场的协同作用能够极大加速光生载流子的分离。项目的实施对促进我国太阳能电池研究、开发和应用水平的提高具有重要的推动作用。此外，在本项目支持下，项目组通过开展无铅陶瓷和反铁电粉体/有机物复合材料介电储能特性研究，开发出了储能性能优异的陶瓷和有机无机复合材料。