氧化亚铜新能源材料研究获进展提高薄膜光电性能

　　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。