氧化铜及掺铟氧化铜薄膜的磁控溅射制备及研究

发布时间：2020-04-26 14:39

【摘要】：氧化铜作为环保、无毒、廉价的直接带隙半导体材料,在诸多领域尤其太阳能电池领域有美好的应用前景。本研究采用直流磁控溅射法制备了氧化铜(CuO)及掺铟氧化铜(CuO:In)薄膜,并着重研究了氧氩比、衬底温度、溅射功率、反应气压等参数对薄膜微结构和光、电学性质的影响。此外,尝试制备了结构为Ag/PCBM/CH_3NH_3PbI_3/CuO/FTO的钙钛矿太阳能电池并测试其J-V特性。主要结果如下:(1)衬底温度170℃时制备了-111择优取向的单相CuO薄膜。晶轴a和b方向上存在压应力,而c轴上微观应力随衬底温度升高由压应力转变为拉应力。光学吸收边值在1.85 eV-1.94 eV之间变化,光学吸收边的略微蓝移可归结于量子尺寸效应。(2)氧氩比为1:2、衬底温度≥300℃时制备的CuO薄膜具有单相结构,而600℃时薄膜的111择优取向最强,500℃时薄膜的导电类型开始从p型转变n型。晶轴a,b和c方向上的微观应力随衬底温度升高均呈现为拉应力。薄膜的光学吸收边随着衬底温度的升高而先略微蓝移后红移。衬底温度为400℃时,薄膜的自由载流子浓度达到最大值3.406×10~(19) cm~(-3)。(3)室温时通过调制溅射功率制备了-111择优取向的CuO:In薄膜,CuO:In仍是直接带系半导体。随着溅射功率的增加,薄膜的-111择优取向增强,在140W时薄膜的择优性最强。轴a,b和c方向上的薄膜微观应力均为拉应力,薄膜的光学吸收边随溅射功率的增加略微红移,溅射功率为100 W时薄膜的导电类型开始由p型转变为n型。薄膜的自由载流子浓度具有最大值9.333×10~(18) cm~(-3),而迁移率具有最大值23.38 cm~2s~(-1)V~(-1)。(4)室温下在不同反应气压条件下制备了CuO:In单相薄膜。CuO:In仍为直接带隙半导体。高溅射功率下增大反应气压使薄膜的结晶改善和-111择优取向增强。薄膜a,b和c轴方向的晶粒生长呈现各向异性,薄膜的自由载流子浓度值均大于10~(18) cm~(-3),且导电类型随反应气压发生转变。(5)CuO薄膜可作为空穴传输层应用于钙钛矿太阳能电池。制备的Ag/PCBM/钙钛矿/CuO/FTO反型结构的太阳能电池的效率为1.3%,其中短路电流、开路电压、填充因子分别为3.26E-4 A、0.597 V、40.1%。
【图文】：

图 2.1 三靶位 JGP-450 型磁控溅射沉积系统首先将普通玻璃片切割为 2.5 2.5 cm2，然后用吹风见颗粒(目的是将附着在玻璃表面由于切割产生的较玻璃片衬底浸泡在比例为 1:3 的硝酸水溶液中 30 杂质及油脂等，接着用去离子水超声清洗 15 min，无水乙醇、去离子水对玻璃衬底分别超声清洗 15 置于温度为 85 ℃的烘干箱内烘干待用。备流程如图 2.2 所示：

图 2.1 三靶位 JGP-450 型磁控溅射沉积系统实验前，首先将普通玻璃片切割为 2.5 2.5 cm2，然后用吹风机和流动水去表面的可见颗粒(目的是将附着在玻璃表面由于切割产生的较大玻璃残渣)并吹干。将玻璃片衬底浸泡在比例为 1:3 的硝酸水溶液中 30 min，，目的是玻璃表面的杂质及油脂等，接着用去离子水超声清洗 15 min，然后再依次丙酮溶液、无水乙醇、去离子水对玻璃衬底分别超声清洗 15 min，最后将后的玻璃片置于温度为 85 ℃的烘干箱内烘干待用。薄膜的制备流程如图 2.2 所示：
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TQ131.21;TM914.4

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本文编号：2641602