Cu2O基透明pn结的制备及其光电转换性能的研究

作     者：余祺 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李超荣

授予年度：2021年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：氧化亚铜 pn结 光电转换 透明 过渡层 

摘      要：光电器件的透明化可以在保证高透明性的同时提供电能,使其用于智能窗口、新能源材料等相关领域。目前该方面的研究主要集中于太阳能电池透明化、光电探测器透明化等方面。主要手段即通过选择合适的材料及降低吸光层厚度来提高器件透明度,在透明度和光电转换性能之间的寻找平衡点。pn结器件结构简单且具有优异的光电转换性能,因此在透明光电器件领域具有很大的应用潜力。氧化亚铜(CuO)作为一种本征p型金属氧化物半导体,其储量丰富,制备简单,无毒且光电性能优异,因而被广泛应用于pn结器件的制备。pn结器件的透明化需要更薄的材料膜层,所以对CuO薄膜的质量和材料间的匹配程有很高的要求,这也是CuO透明pn结在实际应用前所需解决的问题。添加过渡层是一种简单有效的方法,可以有效提高界面质量和能级匹配程度,进一步平衡透明pn结的透明-光电转换性能。本文以CuO作为主体p型材料,通过不同的方法择优制备薄膜。选择能带较为匹配的二氧化锡(SnO)作为n型层,利用CuO与SnO薄膜构筑pn结。随后通过引入Cu O薄膜、SnO量子点薄膜作为过渡层,在保证透明度的情况下提高pn结的光电转换效率。具体研究工作如下:(1)利用磁控溅射法,以氩气(Ar)作为工作气体,通过CuO靶材在不同衬底温度下溅射30min来制备CuO薄膜。同时采用电化学沉积法,以硫酸铜和乳酸溶液为电解液,在三电极体系下恒电位沉积p型CuO薄膜。并通过SEM,XRD,UV-vis等方法对样品性能进行研究。结果发现,不同衬底温度对薄膜结晶度、电学性能和光学性能有一定影响,且厚度和表面形貌差异较大。综合比较,择优选取衬底温度25℃作为后续CuO薄膜的制备参数。(2)以磁控溅射法制备CuO薄膜,再通过简单的热氧化法在CuO薄膜表面产生一层极薄的Cu O过渡层,最后二次溅射沉积SnO薄膜,构筑透明pn结。结果表明:制备的器件在可见光区域透过率可达75%,相较于未添加过渡层的样品,其光电转换性能提高了约450倍,且稳定性较好。其原因主要可以归因于Cu O自氧化过渡层的存在使器件获得了更好的能级和晶格匹配,为载流子的传输提供了良好的通道,且Cu O可以有效防止CuO氧化,增加稳定性。(3)以溅射法制备SnO膜,并通过退火引入化学法制备的SnO量子点(SnOQDs)。随后,通过二次溅射,将CuO膜沉积于SnOQDs/SnO膜的表面上。制备的透明光电器件在可见光下显示出约80%的高透射率,相较于未经修饰的器件,呈现约1.1×10倍的光电转换增强,且在20000s的循环期间展现出良好的稳定性。该现象主要归因于具有高量子效率和适当能带结构的SnOQDs可以加速载流子的注入、分离和迁移,而其较小的尺寸则可以改善pn结界面,从而在确保透明的同时提高光电转换效率。