氧化亞銅薄膜的制備及其光電性能研究.pdf

1、氧化亞銅(Cu2O)是一種非化學(xué)計(jì)量半導(dǎo)體，不同條件下制備的氧化亞銅可能為n型或p型半導(dǎo)體，它的禁帶寬度約為2.1eV。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有較強(qiáng)的光吸收系數(shù)，其理論光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到20％，因此其在新型薄膜電池材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用、光催化以及光電化學(xué)領(lǐng)域具有較大的潛力，對(duì)Cu2O的研究也得到了廣泛的關(guān)注。氧化鋅(ZnO)是一種應(yīng)用廣泛的n型寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，可見(jiàn)光區(qū)域的ZnO是透明的，而且直接禁帶寬度為3.4eV，激子結(jié)合能為60meV

2、，電子遷移率更是達(dá)到120cm2/V·s，這些特點(diǎn)使得ZnO像GaN一樣在紫色光和藍(lán)色光發(fā)光器件中具有重要應(yīng)用價(jià)值的半導(dǎo)體，目前ZnO已經(jīng)很成熟的應(yīng)用于染料敏化電池光陽(yáng)極的部分。Cu2O和ZnO兩者都具有原材料豐富、沒(méi)有毒性以及制備方法多樣化等優(yōu)點(diǎn)，而且兩者在可見(jiàn)光區(qū)域都具有光伏應(yīng)用潛力，所以Cu2O/ZnO異質(zhì)結(jié)應(yīng)該在半導(dǎo)體光電器件方面有很好的發(fā)展前景。本文主要是在恒電位沉積條件下研究各種沉積參數(shù)對(duì)制備的Cu2O薄膜、ZnO薄膜及Cu

3、2O/ZnO異質(zhì)結(jié)形貌、結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能及電化學(xué)性能的影響，主要工作如下:
　　(1)酸性電解液體系，醋酸銅和醋酸鈉的水溶液作為電解液，用冰醋酸調(diào)節(jié)溶液的pH值，在FTO導(dǎo)電玻璃基底上恒電位沉積Cu2O薄膜，并系統(tǒng)研究了各種沉積工藝參數(shù)對(duì)薄膜的影響。結(jié)果表明，隨著溶液pH值的增加，Cu2O晶粒尺寸逐漸變小，禁帶寬度、還原電位(Cu2O/Cu2+)、溶液的濃差極化逐漸增加，而Cu2+擴(kuò)散系數(shù)則減小;隨著沉積溶液溫度的升高，Cu2O薄膜

4、的載流子濃度和禁帶寬度都呈逐漸增加的趨勢(shì)，當(dāng)電沉積溶液的溫度為50℃時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)(111)和(200)晶面的衍射峰是最強(qiáng)的，晶體結(jié)晶性也最好，其禁帶寬度為2.18eV，比較接近塊體Cu2O的帶隙值;當(dāng)沉積電位由-0.1V逐漸往負(fù)方向增加到-0.4V時(shí)，枝晶結(jié)構(gòu)的Cu2O晶粒結(jié)晶度增加，晶粒變得更加細(xì)小，載流子濃度逐漸增加，禁帶寬度先增大后減小，當(dāng)沉積電位為-0.4V時(shí)出現(xiàn)Cu雜質(zhì)降低了薄膜的禁帶寬度。另外，酸性電解液中不同工藝參數(shù)下制備

5、的Cu2O半導(dǎo)體薄膜均為n型半導(dǎo)體。
　　(2)堿性電解液體系，硫酸銅的水溶液作為電解液，用NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值，乳酸為絡(luò)合劑，在FTO導(dǎo)電玻璃基底上恒電位沉積Cu2O薄膜，并系統(tǒng)研究了各種沉積工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響。結(jié)果表明，隨著溶液pH值的增加，Cu2O薄膜的禁帶寬度和平帶電位逐漸變小，光電轉(zhuǎn)化效率先增加后減小，pH=11時(shí)獲得最大的光電轉(zhuǎn)化效率為1.36％;隨著沉積溶液溫度的升高，各衍射峰強(qiáng)度先增強(qiáng)后減小，溫度為60℃

6、時(shí)峰強(qiáng)最強(qiáng)，另外，當(dāng)沉積溶液溫度升高時(shí)，Cu2+的還原電位、電沉積電流以及量子效率逐漸增大，溫度為60℃時(shí)，量子效率(IPCE)最大為29％，其他溫度下的量子效率均小于5％;當(dāng)沉積電位往負(fù)的方向增加時(shí)，Cu2O薄膜的光電轉(zhuǎn)化效率和電流密度都增加。此外，堿性溶液中不同工藝參數(shù)下制備的Cu2O半導(dǎo)體薄膜均為p型半導(dǎo)體。
　　(3)采用恒電位沉積法，電沉積溶液為硝酸鋅和六次甲基四胺的水溶液，在FTO導(dǎo)電玻璃基底上制備ZnO薄膜，以硫酸銅

7、為電沉積溶液，用NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH值，乳酸為絡(luò)合劑，在ZnO薄膜基底上制備Cu2O薄膜，并系統(tǒng)研究了制備條件對(duì)薄膜的影響。隨著電沉積電位往負(fù)的方向增加，ZnO薄膜的厚度增加，晶體形貌由六棱柱形貌變?yōu)椴轄?。此外，?dāng)沉積電位負(fù)增加時(shí)，ZnO薄膜的帶隙值逐漸增加，平帶電位逐漸變小，光電轉(zhuǎn)化效率先增大后減小;沉積電位為-1V時(shí)，光電轉(zhuǎn)化效率最高為0.976％;隨著Zn2+濃度的增加，(002)晶面的衍射峰逐漸增強(qiáng)，制備的ZnO片狀晶粒逐漸增