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物理所氧化亚铜新能源材料研究获进展

文章来源:物理研究所    发布时间:2014-12-10  【字号:      】

  氧化亚铜(Cu2O)是一种性能优异的半导体材料,它具有2.1eV(590nm)的直接帯隙以及很高的可见光吸收系数,再加上它具有无毒、低价、原料丰富等优点,已成为太阳能转化与利用研究领域的重要材料。理论预计基于Cu2O的太阳能电池效率可达20%,通过掺杂引入合适的中间带(intermediate band)后,其光电转换效率的理论极限可进一步提高到~60%。同时,Cu2O具有光催化活性,可以直接利用可见光来催化水的裂解产生氢气。

  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)清洁能源前沿研究重点实验室杜小龙研究组持续开展了Cu2O单晶薄膜的可控生长、掺杂及缺陷调控等一系列研究工作,获得了一些重要进展。Cu2O中Cu处于中间价态,这为单一价态Cu2O的制备带来了困难,梅增霞副研究员、李俊强博士、杜小龙研究员等通过对Cu膜氧化动力学过程的系统研究,实现了氧化过程的精确控制,抑制了欠氧化或过氧化所造成的金属Cu或二价CuO团簇的形成,并进一步发展了Cu2O的外延生长工艺,利用分子束外延法在ZnO、MgO、SrTiO3等多种衬底上制备出高质量Cu2O单晶薄膜。通过调节富铜/富氧生长条件,实现了薄膜中本征缺陷种类及浓度的调控,在室温下观察到了强烈的激子发光,并证实了铜空位(VCu)是影响激子特性的主要原因,而氧空位(VO)含量对激子发光的影响较小。

  掺杂是调控Cu2O光电特性以满足器件应用需要的必要手段,最近该团队和E02组孟庆波研究员、SF3组纪爱玲副研究员以及挪威奥斯陆大学的Andrej Kuznetsov教授等合作,通过氮掺杂技术实现了对Cu2O的电性调控,并系统研究了杂质和缺陷在Cu2O晶格中的动力学行为。N原子掺入会占据O原子位形成替位原子,还会导致薄膜中VO含量增加,并有部分N原子会形成填隙原子(Ni)。Ni是一种在研究中被长期忽视的缺陷,然而该团队的研究结果证明:它与其他缺陷的相互作用对Cu2O薄膜的光电性能产生了重要影响。在适当的退火条件下,Ni能够迁移到VO的位置填补这一空位,导致VO和Ni减少以及NO增加,从而使薄膜性质发生相应的改变。这一工作发表在Scientific Reports 4, 7240 (2014)。基于对氮掺杂机理的理解,通过对掺杂及退火条件的设计,可以大幅提高Cu2O薄膜光电性能,为其在能源器件中的应用打下坚实的材料基础。

  上述工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的项目资助。

  Cu2O掺杂机理研究论文:Scientific Reports 4, 7240 (2014)

  Cu膜氧化动力学过程研究论文:Chin. Phys. B 21, 076401 (2012)

  Cu2O单晶薄膜外延生长研究论文:J. Cryst. Growth 353, 63 (2012)

  Cu2O激子发光研究论文:Opt. Mater. Express 3, 2072 (2013)

    图1. Cu2O单晶薄膜的制备:ZnO模板上(a)Cu2O(111)和(b)Cu2O(110)薄膜的XRDθ-2θ扫描结果及RHEED监测结果;(c)ZnO/Cu2O异质结原型器件示意图及I-V测试结果;(d)蓝宝石上Cu2O单晶薄膜的XRD θ-2θ扫描及RHEED监测结果;(e)蓝宝石上单晶Cu2O薄膜的XRD ф扫描结果。

 

    图2. Cu2O光电性能调控及缺陷研究:(a)掺氮样品的XRD θ-2θ扫描结果;霍尔测试得出的(b)电性随掺杂浓度变化及(c)电性随退火温度变化的结果;(d)室温下PL测试结果以及用声子辅助的模型对激子发光峰的拟合;(e)掺氮样品的室温PL谱;(f)氮掺杂样品中杂质缺陷作用机理示意图。

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