氧化亚铜新能源材料研究获进展
2014/12/21 中科院之声

     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Cu

     <sub>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。

     来源：中国科学院物理研究所

    

    

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