BFO光伏薄膜制备技术研究现状

1、铁酸铋光伏薄膜制备技术研究现状摘要：铁酸铋作为少数在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的钙钦矿型材料之一，历来受到研究人员的广泛关注。研究表明，铁酸泌具有较好的铁电、铁磁及光电性能，同时，铁酸链作为一种窄带隙铁电体，以铁电材料特有的自发极化特性和可见光波长内的能带间隙，克服了传统固态太阳能电池带隙电压的限制，使铁电薄膜材料可产生光伏效应，为未来高效稳定的太阳能电池，以及相应光电器件的发展，提供了一个崭新的途径。目前随着薄膜物理以及各种检测技术和真空技术的发展，薄膜制备技术得到了不断地发展，现已有多种薄膜制备技术，本文围绕用于光伏材料方向的铁酸铋制备技术方法，分别就溶胶凝胶法，磁控溅射，分子外延束制

2、备铁酸铋薄膜的研究情况展开叙述和讨论。关键词：铁酸铋、溶胶凝胶、磁控溅射、分子束外延由于铁酸铋制备所使用的仪器和制备不适宜工业化的大规模生产，人们都在通过各种手段改良铁酸秘薄膜的制备工艺和性能。目前制作铁电薄膜的技术，大抵分为磁控溅射，脉冲激光沉积溶胶凝胶旋涂镀膜工业生产则以化学气相沉积，溶胶凝胶法为主。一、溶胶凝胶法制备铁酸铋光伏薄膜溶胶一凝胶法是一种可以制备从零维到三维材料的全维材料湿化学制备反应方法，溶胶一凝胶法来自于两个词，溶液和凝胶，所谓的溶胶是指均匀地分散胶体粒子或聚合体单体在水溶液或有机溶液中，而凝胶则是指部分溶剂去除后，胶体逐渐聚合成半流动性固体，形成的网状交联结构物。1.1、

3、溶胶凝胶法制备材料的基本过程可分为分散法和醇盐水解法，最常采用的是醇盐水解法，用醇盐水解法制备铁酸铋过程如下：味化p混合，继烘搅拌至落鮮充分快速热退火前躯体配置*症涂性能测试乙輯乙二醉掠拌溶堺骤。在配置溶液时，将硝酸铁与硝酸链的初始比例设定为1:1.05，期望可以准确的得到Fe:Bi=l:l的薄膜。由于硝酸铁容易在空气中潮解，所以称取过程中必须迅速。将硝酸铁和硝酸链分别溶于分析纯乙酸，加入适当乙二醇做稳定剂。室温下强烈搅拌至澄清透明溶液。然后采用旋涂法制作薄膜，将溶胶滴在衬底上，借由匀胶机旋转产生的离心力，将溶胶均匀的涂覆在基板上，再经过退火，将其中的水分，有机物挥发，并使薄膜结晶。影响薄膜是

4、否均匀的因素包括:旋转速度，旋转时间，衬底是否干净，溶胶的粘稠度等。1.2、溶胶凝胶工艺在铁酸铋薄膜制备方面显出了独特的优越性，与其他薄膜制备工艺（溅射、激光闪蒸等）不同，溶胶一凝胶工艺不需要任何真空条件和太高的温度，且可在大面积或任意形状的基片上成膜。用溶胶采取浸涂、喷涂和流延的方法制备薄膜也非常方便，厚度在纳米到微米量级可调，所得产物的纯度高，而且溶胶一凝胶法具有设备简单，成本低，操作简便，可生长大面积薄膜，组分易改变等优点，因此，工业生产铁酸铋薄膜一般采用这种制备方法。二、磁控溅射制备铁酸铋光伏薄膜2.1、磁控溅射的原理图如下：电子经电场加速飞向基片，与氩原子碰撞，电离氩离子和电子，电子

5、飞向基片。氩离子加速轰击靶材，溅射出靶材原子沉积在基片上成膜，二次电子在飞向时在磁场洛仑磁力下，被束缚在靠近靶面的高密度离子体体区域内作圆周运动，并在长路径的圆周运动中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子轰击靶材，多次碰撞后电子的能量降低，最终摆脱磁力线的束缚，远离靶材，沉积在基片上。2.2、磁控溅射制备铁酸铋薄膜的方法主要是将BiO和FeO粉体按1.1:1混合,2323按传统的陶瓷烧结方法制成Bi1.1FeO靶体,在一定真空度条件下在磁控溅射3仪器中完成溅射成膜过程,而且在薄膜生长过程中受到多种因素影响,在磁控溅射过程中,用热电偶来控制基底的温度。2.3、据文献报告,磁控溅射制备铁酸铋薄膜主

6、要受基底、溅射氧压、溅射功率、退火温度、退火气氛和退火持续时间影响lliPLG：IIQjiOi酥41込.ia-i1L_.=_iL图2.不同退火温度下（溅射氧压分别为15、30、50sccm,退火气氛90%N2和10%O2）XRD测得的各晶相相对强度实验表明15sccm及以下氧气流溅射BFO晶相明显，30-50sccm及以上氧气流溅射BFO呈无定型或纳米晶状，15sccm02退火温度400CBFO结晶良好，600C以上无BFO相。1-8h，从实验图0气氛和退火持续C；.氧气丫裁祁.吧即盟230AS40455055M、同退温度为40退火无BFO；加入氧压并适当延长退火时间有利于BFO生长,I:-I

7、5sccmpj盼4m詛:90%NJ10CL时间下XRD图像：流i5sccm，分别1退火loo%k*jpg抑制Bi24Fe2039生长，4h较理想。2.4、磁控溅射制备铁酸铋薄膜由于其电子在磁场作用下反复碰撞，因此效率大幅度提高，而且这些电子在磁场作用下速度已经减到很低，电子到达基底时能量较低，不会对基底造成大的升温影响，不会像PLD和CSD那样温度高，会引起相的扩散、分解、化学成分波动，因此低温的MS备受关注。20Kq-15K-u10K-5K-0(日)BFO!LNOJ阱。；UNO300C350C2025303540455055602o(deg.)分别以LNO和Pt为基底，实验表明以LNO为基底

8、的纯BFO相结晶温度为300C，并在（100）面择优生长更明显，比Pt为基底的结晶温度350C明显降低,而且LNO基底表面平整，无空洞，BFO层图像对比度一致，即化学成分均匀，低温相相互扩散小，Pt基底所得薄膜，表面粗糙，界面相互扩散明显，化学成分有波动。三、分子束外延制备铁酸铋薄膜3.1、分子束外延的原理图如下：衬底架和加热器闸门控制液俎L热电偶|加热輕电超高真空泵分子束外延生长薄膜技术是指在超高真空条件下需要成膜的各组分材料及掺杂物分别加热，按一定比例将分子束流喷射到基片并在基片上外延生长单晶薄膜。3.2、分子束外延技术对衬底有一定的要求，（1）衬底稳定不发生热分解（2）衬底与外延材料有相

9、近的热膨胀系数（3）衬底晶格类型和晶格常数与外延材料匹。3.3、分子束外延仪器由于配有质谱仪和高能电子衍射仪以及俄歇分析仪，因此用分子束外延制备铁酸铋薄膜具有很多优点：（1）有质谱仪等分析仪器，严格控制生长过程和速度（2）超高真空环境淀积，大大减少残余气体污染（3）蒸发速率低，可进行单原子层生长，生长超薄而平整（4）衬底温度较低：降低界面处热膨胀引起的晶格失配（5）膜厚、成分、晶体质量实时监控。四、发展趋势与展望随着分析手段和分析技术的发展，用于BFO薄膜材料的检测仪器和方法发展较为全面和成熟，如XRD检测晶体结构和杂质成分，由此可以了解所得薄膜的结晶好坏，TEM可观测到薄膜表面平整度和表面化

10、学成分是否均匀，以及薄膜和基底之间的结合情况等，台阶仪可测得所制薄膜厚度，紫外和荧光分光光度计可测薄膜的光学性能等，这些分析手段在很大程度上促进了BFO薄膜作为光伏材料的发展，以及为BFO薄膜的光电转化率提高奠定了基础。总结铁酸铋是一种良好的多铁材料，在铁电、仗磁、介电、压电、光电等诸多方面都有优良的性能，2003年以来，铁酸铋在铁电铁磁方面的研究不断深入，最近两年，铁酸铋在光伏领域的研究又成为了热点，本文概述了几种BFO薄膜的主要制备方法，并对比几种方法的特点，总结了他们的优缺点，并针对磁控溅射制备BFO薄膜的影响因素做了探讨，以期寻找到一个制备较好BFO薄膜的最佳条件，因为光电压的大小，很

11、大程度上依赖于薄膜的质量，有序的畴结构，较大的极化值，势必能提高薄膜的光电压，也能提高薄膜的光伏性能。随着人们环保意识的增强和对太阳能利用的重视，铁酸铋薄膜制备技术势必会得到更多发展。参考文献：1S.Sinharoy,H.Bulhay,D.R.Lampe,Integrationofferroelectricthinfilmsintononvolatilememories.Voc.Sch.Technol.AlO(4)，1554-1561(1992).叶鑫，徐叙路，利用磁控溅射和溶胶一凝胶法制备ZnO一TFT及相关因素的研究：北京交通大学硕十学位论文,北京交通大学，2011，06，16-18.于明

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