高质量n型氧化亚铜薄膜及其同质结太阳能电池的研究

Cu2O solar cell is a very promising photovoltaic device with comprehensive advantages of performance, cost and environmental friendliness. The highest theoretical photoelectric conversion efficiency for Cu2O homojunction solar cells can reach 20 %, while the highest experimental efficiency is only 1.06 %. This is due to the excessive defects and high resistivities of both p and n-type Cu2O films prepared by solution methods. This project is aiming at overcoming the bottleneck for cell efficiency through the study of high quality p and n-type Cu2O films as well as their p-n homojunction. Based on our pre-study of high quality intrinsic Cu2O films prepared by PLD, in this project we will: 1)optimize the p-type conductivity of Cu2O films via changing the Cu/O ratio and doping with nitrogen; 2) focus on the n-type doping, find out suitable n-type dopants thorough theoretical calculations, realize and optimize the n-type conductivity and study the conduction mechanisms deeply; 3) realize high efficiency Cu2O homojunction solar cells through optimization of the p-n interface properties and cell preparation processes; 4) exploratively study the influence of graphene on the cell performance and its stability. This study will lay the necessary theoretical and experimental foundation for the practical application of Cu2O solar cells.

Cu2O太阳能电池具有性能、成本和环保的综合优势,是一种很有应用前途的光伏器件。其同质结器件的理论光电转换效率高达20 %，而目前最高实验效率仅为1.06 %，这是由于溶液法制备的薄膜内部过多的缺陷以及p型和n型Cu2O层过高的电阻率。本项目旨在研制高质量p型和n型Cu2O薄膜材料及其p-n同质结，克服制约电池效率的瓶颈。在我们前期脉冲激光沉积法制备高质量本征Cu2O薄膜的基础上，本项目拟：1）通过改变薄膜Cu/O原子比及氮掺杂，优化薄膜的p型导电性能；2）重点研究n型掺杂，结合理论计算，寻找并确定合适的n型掺杂元素，实现和优化薄膜的n型导电，并深入研究薄膜的导电机理；3）优化p-n界面性质及电池制备工艺，制备出高效Cu2O同质结太阳能电池；4）探索性地研究石墨烯电极插层对电池性能及其稳定性的影响。本研究将为Cu2O太阳能电池的实际应用奠定必要的理论和实验基础。

作为一种本征p型半导体，Cu2O具有光电性质优良、环境友好、原材料储量丰富且成本低等优点，在太阳能电池、薄膜晶体管等领域有着重要的应用前景。Cu2O同质结太阳能电池的理论光电转换效率最高可达20%，但其最高实验效率却远低于理论值。这是由溶液法制备的薄膜内部过多的缺陷以及p型和n型Cu2O层过高的电阻率所导致的。因此，制备高质量的Cu2O薄膜材料，对其进行有效p型电学性质调控，同时实现良好的n型导电，对制备高效Cu2O太阳能电池是非常必要的。在本项目中，我们采用脉冲激光沉积（PLD）法在MgO、YSZ、α-Al2O3等多种衬底上制备出了高质量的Cu2O外延薄膜，研究了薄膜的性质及外延生长机制，确定了相应的外延关系；通过调控薄膜生长过程中的气氛，制备出了兼具低电阻率和高迁移率的p型Cu2O薄膜，阐明了其p型导电机理；通过不同工艺途径制备出了具有良好导电性能的n型Cu2O薄膜，弄清了其载流子形成机制和导电机理，其中通过氮等离子体处理获得的n型纯相Cu2O薄膜的电阻率仅为20.50Ω·cm，迁移率为3.76cm2·v-1·s-1；用PLD法生长的Cu2O薄膜制备出了太阳能电池和薄膜晶体管，对器件的制备工艺和性能进行了研究和优化。高质量的Cu2O薄膜在半导体光电器件领域有着广阔的应用前景。对Cu2O薄膜的外延生长、p型和n型电学性质调控、相关功能器件的制备工艺与性能等进行系统的研究，将为该材料在太阳能电池等器件领域的实际应用提供重要的实验基础和理论指导。