【摘 要】
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传统p-n结太阳电池的光-电转换效率受限于S-Q极限,主要原因在于受限于材料带隙的光电压和各类复合限制的光电流。传统太阳电池,不论是p-n结电池,还是敏化太阳电池,其开路电压受到材料本身性质和带隙的影响被限于1V以内。基于此现状,科学研究者将研究方向转为具有获得大于带隙的开路电压潜力的铁电材料,铁电材料本身所具有的铁电性（具体体现为材料具有自发极化的特性）使其成为在光伏领域极具前景的材料。在众多的
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传统p-n结太阳电池的光-电转换效率受限于S-Q极限,主要原因在于受限于材料带隙的光电压和各类复合限制的光电流。传统太阳电池,不论是p-n结电池,还是敏化太阳电池,其开路电压受到材料本身性质和带隙的影响被限于1V以内。基于此现状,科学研究者将研究方向转为具有获得大于带隙的开路电压潜力的铁电材料,铁电材料本身所具有的铁电性（具体体现为材料具有自发极化的特性）使其成为在光伏领域极具前景的材料。在众多的铁电材料中,铁酸铋（BiFeO3,BFO）作为一种无铅性的多铁材料,在室温下可以同时具有铁电性和铁磁性;BFO是非对称性的ABO3型的钙钛矿型铁电晶体结构,这为BFO材料具有自发极化的特性奠定了结构基础;除此之外,BFO还具有较大的极化强度（Pr～100 μC·cm-2）、较高的居里温度（Tc～850℃）、相对较小的能带宽度（2.2-2.7 eV）,成为铁电光伏领域极具发展前景的材料。基于上述背景,本毕业论文设计研究了 BFO构建的铁电光伏器件,探究其高开路电压光伏性能。主要研究内容如下:1.制备多晶BFO薄膜组装光伏器件FTO/BFO/Au获得远大于BFO材料带隙的开路电压:首先,采用水热法合成纯相的BFO颗粒,通过将BFO颗粒研磨为更细小的颗粒分散在无水乙醇溶液中作为旋涂前驱体溶液,待分散液均匀分散后旋涂于FTO上得到BFO薄膜。将BFO薄膜在不同的烧结温度下烧结探索得到具有优异取向的BFO薄膜,组装了有效面积为28.26 mm2的FTO/BFO/Au器件,获得远大于材料带隙的开路电压为6.90 V,器件的短路电流密度为6μA·cm-2。在此基础上,为了验证BFO材料中存在的铁电性和体光伏效应,设计了对于器件的两电极施加正负偏压的实验,光开路电压随着正负偏压的变化而相应变化:对器件施加负偏压时,内部的电畴结构受电场影响发生偏转电荷部分抵消,器件开路电压减小;对器件施加正向极化时,内部的电畴结构恢复,电荷积累增加,器件的开路电压增大,该实验现象有效说明器件颗粒内部中铁电性和体光伏效应的机理。2.增加染料分子和TiO2传输层修饰BFO薄膜构建FTO/BFO/N719/Pt和FTO/TiO2/BFO/N719/Pt器件以提高器件的短路电流密度和光电转换效率:FTO/BFO/Au薄膜器件获得了远大于带隙的开路电压,但是由于BFO自身所具有的铁电性使得器件的漏电流较大,器件的短路电流密度极小,在有效面积为28.26 mm2时短路电流密度仅为6 μA·cm-2,因此本章节首先通过对于BFO薄膜增加染料分子修饰构建FTO/BFO/N719/Pt器件,通过增加染料分子来增大器件对太阳光中光子的捕获,从而获得了 Voc～1.15 V、Jsc～1.78 mA·cm-2,器件的光电转换效率从0.0180%提高至1.34%。在此基础上,增加染料分子的负载从而增大器件对于光子的捕获,及增加一层TiO2电荷传输层,两者共同发挥作用进一步提高器件的光电性能,设计光伏器件增加不同厚度的电荷传输层TiO2组装FTO/TiO2/BFO/N719/Pt器件,该器件实现了Voc～1.27 V、Jsc～4.35 mA·cm-2的光伏性能,光电转换效率提高至3.29%。
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