氧化亚铜薄膜的制备及其光电性能研究

发布时间：2017-07-15 08:14

  本文关键词：氧化亚铜薄膜的制备及其光电性能研究

  更多相关文章： 电化学沉积 Cu_2O薄膜 ZnO纳米棒 量子效率 光电转化效率

【摘要】：氧化亚铜(Cu20)是一种非化学计量半导体,不同条件下制备的氧化亚铜可能为n型或p型半导体,它的禁带宽度约为2.1 eV。在可见光范围内有较强的光吸收系数,其理论光电转换效率可以达到20%,因此其在新型薄膜电池材料的开发和应用、光催化以及光电化学领域具有较大的潜力,对Cu20的研究也得到了广泛的关注。氧化锌(ZnO)是一种应用广泛的n型宽禁带化合物半导体材料,可见光区域的ZnO是透明的,而且直接禁带宽度为3.4 eV,激子结合能为60meV,电子迁移率更是达到120 cm2/V·s,这些特点使得ZnO像GaN一样在紫色光和蓝色光发光器件中具有重要应用价值的半导体,目前ZnO已经很成熟的应用于染料敏化电池光阳极的部分。Cu20和ZnO两者都具有原材料丰富、没有毒性以及制备方法多样化等优点,而且两者在可见光区域都具有光伏应用潜力,所以Cu2O/ZnO异质结应该在半导体光电器件方面有很好的发展前景。本文主要是在恒电位沉积条件下研究各种沉积参数对制备的Cu20薄膜、ZnO薄膜及Cu2O/ZnO异质结形貌、结构、光学性能及电化学性能的影响,主要工作如下：(1)酸性电解液体系,醋酸铜和醋酸钠的水溶液作为电解液,用冰醋酸调节溶液的pH值,在FTO导电玻璃基底上恒电位沉积Cu20薄膜,并系统研究了各种沉积工艺参数对薄膜的影响。结果表明,随着溶液pH值的增加,Cu20晶粒尺寸逐渐变小,禁带宽度、还原电位(Cu2O/Cu2+)、溶液的浓差极化逐渐增加,而Cu2+扩散系数则减小；随着沉积溶液温度的升高,Cu20薄膜的载流子浓度和禁带宽度都呈逐渐增加的趋势,当电沉积溶液的温度为50℃C时,我们发现(111)和(200)晶面的衍射峰是最强的,晶体结晶性也最好,其禁带宽度为2.18 eV,比较接近块体Cu20的带隙值；当沉积电位由-0.1 V逐渐往负方向增加到-0.4 V时,枝晶结构的Cu20晶粒结晶度增加,晶粒变得更加细小,载流子浓度逐渐增加,禁带宽度先增大后减小,当沉积电位为-0.4 V时出现Cu杂质降低了薄膜的禁带宽度。另外,酸性电解液中不同工艺参数下制备的Cu20半导体薄膜均为n型半导体。(2)碱性电解液体系,硫酸铜的水溶液作为电解液,用NaOH调节溶液的pH值,乳酸为络合剂,在FTO导电玻璃基底上恒电位沉积Cu20薄膜,并系统研究了各种沉积工艺参数对薄膜性能的影响。结果表明,随着溶液pH值的增加,Cu20薄膜的禁带宽度和平带电位逐渐变小,光电转化效率先增加后减小,pH=11时获得最大的光电转化效率为1.36%；随着沉积溶液温度的升高,各衍射峰强度先增强后减小,温度为60℃时峰强最强,另外,当沉积溶液温度升高时,Cu2+的还原电位、电沉积电流以及量子效率逐渐增大,温度为60℃时,量子效率(IPCE)最大为29%,其他温度下的量子效率均小于5%；当沉积电位往负的方向增加时,Cu20薄膜的光电转化效率和电流密度都增加。此外,碱性溶液中不同工艺参数下制备的Cu20半导体薄膜均为p型半导体。(3)采用恒电位沉积法,电沉积溶液为硝酸锌和六次甲基四胺的水溶液,在FTO导电玻璃基底上制备ZnO薄膜,以硫酸铜为电沉积溶液,用NaOH调节溶液的pH值,乳酸为络合剂,在ZnO薄膜基底上制备Cu20薄膜,并系统研究了制备条件对薄膜的影响。随着电沉积电位往负的方向增加,ZnO薄膜的厚度增加,晶体形貌由六棱柱形貌变为草状。此外,当沉积电位负增加时,ZnO薄膜的带隙值逐渐增加,平带电位逐渐变小,光电转化效率先增大后减小；沉积电位为-1V时,光电转化效率最高为0.976%；随着Zn2+浓度的增加,(002)晶面的衍射峰逐渐增强,制备的ZnO片状晶粒逐渐增大；当沉积电位负增加时,Cu2O/ZnO异质结的各衍射峰增强,Cu20的晶粒变得细小致密,Cu2O/ZnO异质结的厚度增加,光电转化效率增加,最大光电转化效率为1.61%；随着溶液pH值的增加,Cu20的晶粒尺寸变大,Cu2O/ZnO异质结的厚度增加,光电转化效率增加,最大光电转化效率为2.33%。
【关键词】：电化学沉积 Cu_2O薄膜 ZnO纳米棒 量子效率 光电转化效率
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ131.21;TB383.2
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-20
• 1.1 课题背景13-14
• 1.2 Cu_2O物理特性14
• 1.2.1 Cu_2O的基本性质14
• 1.2.2 Cu_2O的晶体结构14
• 1.3 Cu_2O的应用前景14-15
• 1.4 Cu_2O的制备方法15-18
• 1.4.1 溶胶凝胶法15-16
• 1.4.2 热氧化法16
• 1.4.3 气相沉积法16
• 1.4.4 磁控溅射法16-17
• 1.4.5 电化学沉积法17-18
• 1.5 论文选题及主要研究内容18-20
• 1.5.1 论文选题18
• 1.5.2 主要研究内容18-20
• 第2章 酸性条件下Cu_2O薄膜的制备及性能研究20-47
• 2.1 引言20
• 2.2 实验部分20-23
• 2.2.1 实验原料及设备20
• 2.2.2 样品制备20-22
• 2.2.3 测试表征22-23
• 2.3 结果与讨论23-45
• 2.3.1 溶液pH值对Cu_2O薄膜的影响23-35
• 2.3.2 沉积温度对制备Cu_2O薄膜的影响35-41
• 2.3.3 沉积电位对制备Cu_2O薄膜的影响41-45
• 2.4 本章小结45-47
• 第3章 碱性条件下Cu_2O薄膜的制备及性能研究47-65
• 3.1 引言47
• 3.2 实验部分47-48
• 3.2.1 实验原料及设备47
• 3.2.2 样品制备47-48
• 3.2.3 测试表征48
• 3.3 结果与讨论48-63
• 3.3.1 溶液pH值对制备Cu_2O薄膜的影响48-56
• 3.3.2 沉积温度对制备Cu_2O薄膜的影响56-60
• 3.3.3 沉积电位对制备Cu_2O薄膜的影响60-63
• 3.4 本章小结63-65
• 第4章 Cu_2O/ZnO异质结的制备及性能研究65-82
• 4.1 引言65
• 4.2 电沉积法制备ZnO薄膜及性能研究65-74
• 4.2.1 实验原料及设备65-66
• 4.2.2 样品制备66
• 4.2.3 测试表征66-67
• 4.2.4 结果与讨论67-74
• 4.3 Cu_2O/ZnO异质结的制备及性能研究74-81
• 4.3.1 实验原料及设备74-75
• 4.3.2 样品制备75
• 4.3.3 测试表征75-76
• 4.3.4 结果与讨论76-81
• 4.4 本章小结81-82
• 结论及展望82-84
• 致谢84-85
• 参考文献85-95
• 攻读硕士学位期间发表的论文95

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