一种取向性氧化铁薄膜及其制备方法和在太阳能电池中的应用与流程

1.本发明属于薄膜材料何太阳能电池技术领域，具体涉及一种取向性氧化铁薄膜及其制备方法和在太阳能电池中的应用。


背景技术：

2.目前，太阳能电池以单晶硅和多晶硅为首，其技术也最为成熟，凭借较高的光电转化效率(pce)，成为市面上大规模商业化应用的主要太阳能电池，但其生产成本高、能耗高，且污染环境。非晶硅和多元化合物的薄膜太阳能电池，如砷化镓等iii-v族化合物、碲化镉等
ⅱ‑ⅵ
族化合物以及铜铟镓硒等材料，与晶体硅太阳能电池相比，虽然其成本得到大幅的降低，但是缺点也比较突出，例如，非晶硅薄膜电池在pce以及稳定性方面不如晶体硅电池，砷化镓和碲化镉薄膜电池材料中的砷和镉等有较强的毒性会对自然环境以及生物体的健康产生一定的危害等。从2009年开始，钙钛矿结构的有机无机复合金属卤化物材料进入了科研工作者的视野，其pce在短短的十年间从3.8％迅速升至25.8％。虽然钙钛矿太阳能电池有着成本低、效率高的优势，但是由于光吸收层(钙钛矿层)不稳定、易分解，目前还难以产业化。因此，开发生产成本低、能耗低、环境有好的新型太阳能电池具有很大的意义。
3.氧化铁(α-fe2o3)是一种价格低廉、环境污染少、稳定性和抗腐蚀性优良的n型半导体，且具有较高光电转换效率的材料，在可见光区具有很强的光吸收能力，能吸收约30％的太阳光能。通常人们将氧化铁薄膜作为光阳极，在光电催化分解水领域表现出良好的性能。目前人们制备的氧化铁薄膜是非取向性的，主要采用氧化铁球状纳米粒子，通过旋涂等方法制备。取向性薄膜通常采用片状粒子，通过流延法将定向排列片状粒子得到，主要应用在取向性电子薄膜或陶瓷领域。
4.但是，作为光电薄膜材料，流延法进行定向排列存在大量片状粒子堆叠的现象，粒子堆叠会增大薄膜的阻抗，降低光生载流子的迁移速率，致使光电转换效率低。此外，流延法定向排列后还需进一步热处理才能使片状粒子与基体牢固结合。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种取向性氧化铁薄膜及其制备方法和在太阳能电池中的应用，能够解决粒子堆叠导致增大薄膜阻抗以及粒子与基体结合不牢固的问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.本发明的第一个目的在于提供一种取向性氧化铁薄膜的制备方法，包括如下步骤：
8.1)在惰性气氛保护下，将低熔点金属加热至熔融态；
9.2)将氧化铁粒子加入到熔融态金属中进行搅拌、静置，待氧化铁粒子漂浮到熔融金属的液面上后，停止加热、自然降至室温并停止气氛保护，液态金属冷却凝固成型，氧化
铁粒子被固定在成型金属的表面上；
10.3)去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子，保留与金属直接接触的氧化铁粒子，得到所述的取向性氧化铁薄膜。
11.进一步地，步骤1)中，惰性气氛为氮气、氩气或其它惰性气体。
12.进一步地，步骤1)中，低熔点金属为金属bi、sn、zn、in或及其合金等熔点在450℃以下。
13.进一步地，步骤1)中，加热至熔融态的温度为熔点以上。
14.进一步地，步骤2)中，氧化铁为α-fe2o3、一种离子掺杂α-fe2o3或多种离子共掺杂的α-fe2o3。
15.更进一步地，为sn
2
掺杂α-fe2o3、cu
2
掺杂α-fe2o3或其它一种或多种离子掺杂的α-fe2o。
16.进一步地，步骤2)中，氧化铁粒子形貌为片状，厚度为100～500nm，直径为5～20μm。
17.进一步地，步骤2)中，搅拌的时间为5～10min。
18.进一步地，步骤2)中，静置的时间为从停止搅拌开始计时，至所有氧化铁粒子漂浮到熔融金属液面上后所需的时间。
19.进一步地，步骤2)中，液态金属冷却凝固成型的形状为平板状。
20.进一步地，步骤3)中，去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子的方法可采用风吹、去离子水冲洗或其它惰性溶剂冲洗，或者在超声条件下冲洗。
21.本发明的第二个目的是提供一种利用上述制备的取向性氧化铁薄膜作为光吸收层制备太阳能电池的应用，具体制备时，操作如下：
22.1)采用磁控溅射法在取向性氧化铁薄膜上制备氧化铟透明空穴传输层；
23.2)采用磁控溅射法在空穴传输层上制备透明氧化铟锡电极。
24.传统的流延法制备的取向性薄膜材料存在大量片状粒子堆叠的现象，粒子堆叠会增大薄膜的阻抗，降低光生载流子的迁移速率，致使光电转换效率低。此外，流延法定向排列后还需进一步热处理才能使片状粒子与基体牢固结合，存在能耗高的缺点。因此，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.本发明将片状氧化铁粒子加入的熔融金属液中，熔融金属液冷却凝固成型后，片状氧化铁会定向排列并平铺在金属的表面上，然后去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子，得到取向性氧化铁薄膜。本发明利用无机金属氧化物密度小、容易漂浮在熔融金属(密度大)液面上的特性，通过将片状的氧化铁粒子加入到熔融金属中，经冷却凝固成型，在金属表面上形成取向性氧化铁薄膜，该薄膜中的片状粒子无堆叠现象且与金属基体结合牢固、厚度可控。该方法操作简单、能耗低、重复性高、适合大规模生产，可以选择不同特性的低熔点金属作为基体，通过控制片状氧化铁粒子的厚度来调控取向性薄膜的厚度(无片状粒子堆叠的现象)，并且薄膜与基体结合牢固。
26.本发明制备得到的取向性氧化铁薄膜中的片状粒子无堆叠现象且与金属基体结合牢固、厚度可控，以该取向性氧化铁薄膜作为太阳能电池光吸收层，表现出对光吸收能力强，相对于随机取向氧化铁薄膜有较高的光电压和光电转换效率，且性能稳定等特点。
附图说明
27.图1是实施例1制得的取向氧化铁薄膜太阳能电池的正反扫j-v曲线图；
28.图2是实施例2制得的取向氧化铁薄膜太阳能电池的正反扫j-v曲线图；
29.图3是实施例3制得的取向氧化铁薄膜太阳能电池的正反扫j-v曲线图；
30.图4是实施例4制得的取向氧化铁薄膜太阳能电池的正反扫j-v曲线图。
具体实施方式
31.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
32.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
33.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
34.实施例1
35.一种取向性氧化铁薄膜的制备方法，包括以下步骤：
36.步骤1)在氮气气氛保护下，将金属锡加热至熔融。
37.步骤2)将加入厚度为100nm、直径为5μm片状α-fe2o3粒子加入到熔融金属锡中进行搅拌5min、静置，待氧化铁粒子漂浮到熔融金属的液面上后，停止加热、自然降至室温并停止气氛保护，液态金属锡冷却凝固成板状，氧化铁粒子被固定在金属的表面上。
38.步骤3)采用风吹方式，去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子，得到所述的取向性氧化铁薄膜。
39.利用本实施例制得的取向氧化铁薄膜制备太阳能电池，操作如下步骤：
40.步骤1：采用磁控溅射法，在取向性氧化铁薄膜上制备出氧化铟透明空穴传输层。将取向性氧化铁薄膜装入溅射室内，靶材为氧化铟陶瓷，靶距65mm，旋转速率10r/min，背低真空5
×
10-3
pa，通入高纯氩气，将功率调至45w，然后开始溅射。镀膜的溅射气压为0.5～1.1pa，溅射时间为5min，衬底温度为150℃。
41.步骤2：采用磁控溅射法，在空穴传输层上制备透明氧化铟锡电极。将步骤5)得到的样品装入溅射室内，靶材为氧化铟锡陶瓷，靶距65mm，旋转速率10r/min，背低真空5
×
10-3
pa，通入高纯氩气，将功率调至45w，镀膜的溅射气压为0.5～1.1pa，溅射时间为5min，衬底温度为150℃。
42.制得的太阳能电池的正反扫j-v曲线图如图1所示，从图1中可以看出该太阳能电池的光电转换效率为5.41％。
43.实施例2
44.一种取向性氧化铁薄膜的制备方法，包括以下步骤：
45.步骤1)在氩气气氛保护下，将金属铋加热至熔融。
46.步骤2)将加入厚度为100nm、直径为5μm片状sn
2
掺杂的α-fe2o3粒子加入到熔融金属铋中进行搅拌10min、静置，待氧化铁粒子漂浮到熔融金属的液面上后，停止加热、自然降至室温并停止气氛保护，液态金属铋冷却凝固成板状，氧化铁粒子被固定在金属的表面上。
47.步骤3)采用水冲洗方式，用去离子水去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子，得到所述的取向性氧化铁薄膜。
48.利用本实施例制得的取向氧化铁薄膜制备太阳能电池，操作如下步骤：
49.步骤1：采用磁控溅射法，将取向性氧化铁薄膜装入溅射室内，靶材为氧化铟陶瓷，靶距65mm，旋转速率10r/min，背低真空5
×
10-3
pa，通入高纯氩气，将功率调至45w，镀膜的溅射气压为0.5～1.1pa，溅射时间为10min，衬底温度为100℃。在取向性氧化铁薄膜上制备出氧化铟透明空穴传输层。
50.步骤2：采用磁控溅射法，在空穴传输层上制备透明氧化铟锡电极。将步骤5)得到的样品装入溅射室内，靶材为氧化铟锡陶瓷，靶距65mm，旋转速率10r/min，背低真空5
×
10-3
pa，通入高纯氩气，将功率调至45w，镀膜的溅射气压为0.5～1.1pa，溅射时间为10min，衬底温度为150℃。
51.制得的太阳能电池的正反扫j-v曲线图如图2所示，从图2中可以看出该太阳能电池的光电转换效率为6.84％。
52.实施例3
53.一种取向性氧化铁薄膜的制备方法，包括以下步骤：
54.步骤1)在氩气气氛保护下，将金属铟加热至熔融。
55.步骤2)将加入厚度为300nm、直径为10μm片状cu
2
掺杂α-fe2o3粒子加入到熔融金属铋中进行搅拌10min、静置，待氧化铁粒子漂浮到熔融金属的液面上后，停止加热、自然降至室温并停止气氛保护，液态金属铋冷却凝固成板状，氧化铁粒子被固定在金属的表面上。
56.步骤3)在超声波条件下采用水冲洗方式，去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子，得到所述的取向性氧化铁薄膜。
57.利用本实施例制得的取向氧化铁薄膜制备太阳能电池，操作如下步骤：
58.步骤1：采用磁控溅射法，将取向性氧化铁薄膜装入溅射室内，靶材为氧化铟陶瓷，靶距65mm，旋转速率10r/min，背低真空5
×
10-3
pa，通入高纯氩气，将功率调至45w，镀膜的溅射气压为0.5～1.1pa，溅射时间为20min，衬底温度为70℃。在取向性氧化铁薄膜上制备出氧化铟透明空穴传输层。
59.步骤2：采用磁控溅射法，在空穴传输层上制备透明氧化铟锡电极。将步骤5)得到的样品装入溅射室内，靶材为氧化铟锡陶瓷，靶距65mm，旋转速率10r/min，背低真空5
×
10-3
pa，通入高纯氩气，将功率调至45w，镀膜的溅射气压为0.5～1.1pa，溅射时间为20min，衬底温度为70℃。
60.制得的太阳能电池的正反扫j-v曲线图如图3所示，从图3中可以看出该太阳能电池的光电转换效率为3.60％。
61.实施例4
62.一种取向性氧化铁薄膜的制备方法，包括以下步骤：
63.步骤1)在氮气气氛保护下，将金属锌加热至熔融。
64.步骤2)将加入厚度为500nm、直径为20μm片状α-fe2o3粒子加入到熔融金属铋中进行搅拌10min、静置，待氧化铁粒子漂浮到熔融金属的液面上后，停止加热、自然降至室温并停止气氛保护，液态金属铋冷却凝固成板状，氧化铁粒子被固定在金属的表面上。
65.利用本实施例制得的取向氧化铁薄膜制备太阳能电池，操作如下步骤：
66.步骤1：采用乙醇(惰性溶剂)冲洗方式，去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子，得到所述的取向性氧化铁薄膜。
67.步骤2：采用磁控溅射法，将取向性氧化铁薄膜装入溅射室内，靶材为氧化铟陶瓷，靶距65mm，旋转速率10r/min，背低真空5
×
10-3
pa，通入高纯氩气，将功率调至45w，镀膜的溅射气压为0.5～1.1pa，溅射时间为5min，衬底温度为150℃。在取向性氧化铁薄膜上制备出氧化铟透明空穴传输层。
68.步骤5)采用磁控溅射法，在空穴传输层上制备透明氧化铟锡电极。将步骤5)得到的样品装入溅射室内，靶材为氧化铟锡陶瓷，靶距65mm，旋转速率10r/min，背低真空5
×
10-3
pa，通入高纯氩气，将功率调至45w，镀膜的溅射气压为0.5～1.1pa，溅射时间为5min，衬底温度为150℃。
69.制得的太阳能电池的正反扫j-v曲线图如图4所示，从图4中可以看出该太阳能电池的光电转换效率为2.03％。
70.综上所述，本发明将片状氧化铁粒子加入的熔融金属液中，熔融金属液冷却凝固成型后，片状氧化铁会定向排列并平铺在金属的表面上，然后去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子，得到取向性氧化铁薄膜。该方法操作简单、能耗低、重复性高、适合大规模生产，可以选择不同特性的低熔点金属作为基体，通过控制片状氧化铁粒子的厚度来调控取向性薄膜的厚度(无片状粒子堆叠的现象)，并且薄膜与基体结合牢固。采用本发明制备的取向性氧化铁薄膜作为太阳能电池光吸收层，表现出对光吸收能力强，相对于随机取向氧化铁薄膜具有较高的光电压和光电转换效率，且性能稳定。
71.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种取向性氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；1)在惰性气氛保护下，将低熔点金属加热至熔融态；2)将氧化铁粒子加入到步骤1)制得的熔融态金属中，搅拌、静置，直至所有氧化铁粒子漂浮至熔融态金属的液面上，停止加热，冷却至室温并停止惰性气氛保护，待液态化的金属冷却凝固成型，氧化铁粒子被固定在成型后的金属表面；3)去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子，保留与金属直接接触的氧化铁粒子，得到取向性氧化铁薄膜。2.根据权利要求1所述的取向性氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于，所述低熔点金属为熔点在450℃以下的金属。3.根据权利要求2所述的取向性氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于，所述熔点在450℃以下的金属包括金属bi、sn、zn、in及其合金。4.根据权利要求1所述的取向性氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，惰性气氛为氮气或氩气；加热温度为低熔点金属的熔点之上。5.根据权利要求1所述的取向性氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于，氧化铁粒子为α-fe2o3或者离子掺杂的α-fe2o3；氧化铁粒子的形貌为片状，厚度为100～500nm，直径为5～20μm。6.根据权利要求1所述的取向性氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中，搅拌的时间为5～10min。7.根据权利要求1所述的取向性氧化铁薄膜的制备方法，其特征在于，步骤3)中，通过冲洗或风吹法去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子。8.采用权利要求1～7中任意一项所述的制备方法制得的取向性氧化铁薄膜，其特征在于，该取向性氧化铁薄膜是由片状氧化铁粒子定向平铺在液体金属冷凝成型构成的平板的表面而形成，且片状氧化铁粒子与平板结合牢固。9.如权利要求8所述的取向性氧化铁薄膜，其特征在于，该取向性氧化铁薄膜的厚度可控。10.权利要求8或9所述的取向性氧化铁薄膜在制备钙钛矿电池中的应用，其特征在于，制作时：采用磁控溅射法在所述取向性氧化铁薄膜上制备氧化铟透明空穴传输层，然后采用磁控溅射法在空穴传输层上制备透明氧化铟锡电极。

技术总结
本发明公开了一种取向性氧化铁薄膜及其制备方法和在太阳能电池中的应用，属于薄膜材料何太阳能电池技术领域。该方法将片状氧化铁粒子加入的熔融金属液中，熔融金属液冷却凝固成型后，片状氧化铁会定向排列并平铺在金属的表面上，去除金属表面上非直接接触的氧化铁粒子，得到取向性氧化铁薄膜。该方法操作简单、能耗低、重复性高、适合大规模生产，可以选择不同特性的低熔点金属作为基体，通过控制片状氧化铁粒子的厚度来调控取向性薄膜的厚度(无片状粒子堆叠的现象)，并且薄膜与基体结合牢固。采用取向性氧化铁薄膜作为太阳能电池光吸收层，表现出对光吸收能力强，相对于随机取向氧化铁薄膜具有较高的光电压和光电转换效率，且性能稳定。稳定。稳定。


技术研发人员：唐盛来 李建强 孔新刚
受保护的技术使用者：晶瓷（北京）新材料科技有限公司
技术研发日：2022.02.17
技术公布日：2022/5/25