氧化亚铜单晶的生长、半导体性能调控和太阳能光伏器件研究

Cuprous oxide is a promising material for photovoltaic and photoelectrochemical energy conversion as well as many other applications. As a naturally p-type semiconductor with a direct band gap of 2.1 eV, cuprous oxide can absorb light in the visible region, and the theoretical photoconversion efficiency is up to 20% under solar illumination. On the other hand, single crystal of cuprous oxide has been a prime candidate for realizing spontaneous build up of a three-dimensional Bose-Einstein condensation that is decoupled from radiation field due to The large binding energy and long lifetime.A number of methods have been applied to synthesize cuprous oxide, including the sol-gel chemistry approach, various oxidation methods, chemical vapor deposition, and electrochemical deposition. Many cuprous oxide nanostructures with well-defined morphologies, such as spheres, wires, cubes, polyhedra, and hollow structures has been fabricate.However,there were few reports on the growth methods of preparation of high quality cuprous oxide bulk crystal. In this research, we will study the hydrothermal growth technology in order to obtain the centimeter-level single crystal of Cu2O with high quality.In addition, the doped cuprous oxide bulk crystal would been obtained and the semiconductor property of which would been investigated. The results will facilitate the fabrication of high-performance Cu2O-based solar cells.

氧化亚铜( Cu2O) 是本征p型无机化合物半导体，具有直接带隙结构，禁带宽度约2.1 eV。该材料光吸收系数大、激子束缚能高、激子寿命长、化学组成绿色环保且价格低廉，在新型太阳能电池、磁存储器件、化学催化、锂电池电极材料等方面具有潜在用途。氧化亚铜太阳能电池理论的最高转换效率为20%，但目前制备出来的各类基于Cu2O薄膜材料的太阳能电池的效率却不超过4%。如果能够生长出具有高空穴迁移率的氧化亚铜单晶，则有望以此材料为基础制作出高效的太阳能电池。本申请拟开展近厘米级的高空穴迁移率的Cu2O单晶水热生长及通过掺杂杂质和缺陷控制调控材料半导体性能的研究，同时初步开展基于该晶体的高性能同质结或异质结太阳能电池的制备和机理研究，研究结果将推动氧化亚铜材料在新型太阳能电池方面应用，所得优质Cu2O单晶在稀磁半导体、凝聚态物理等基础研究方面也具重要意义。

氧化亚铜是为数不多的具有直接带隙结构本征 p 型无机化合物半导体，其禁带宽度约 2.1 e，对于太阳能电池来说较为合适。氧化亚铜光吸收系数大、激子束缚能高寿命长、化学组成绿色环保且价格低廉，在新型太阳能电池、磁存储器件、气体检测、锂电池电极材料等方面具有潜在广泛用途。无论是在太阳能光伏器件、稀磁半导体或者凝聚态物理前沿基础科学等研究领域，具有宏观尺寸的，优质的氧化亚铜单晶的获得是很重要的。在本项目的支持下，本研究团队开展了氧化亚铜晶体水热法生长系列探索性研究，包含：1）根据相图及实验，筛选出了含KOH、NaOH、LiOH以及一些小分子配体的多组复合矿化剂；2) 利用小型水热釜进行了系列晶体生长实验，研究了使用NaOH、LiOH等不同主矿化剂时氧化亚铜晶体的溶解度温度曲线等晶体生长热力学问题； 3）研究了不同矿化剂条件下氧化亚铜各个晶面生长习性等基础生长动力学问题；4）毫米级氧化亚铜晶体的水热法生长：研制了适合低温生长毫米级氧化亚铜晶体的水热生长设备和配套的加热炉，通过生长条件和设备优化，初步生长出了毫米级晶体，进行了生长掺杂实验，研究了氧化亚铜晶体中N，Cl，Zn等元素的掺杂量。同时，本研究团队还开展了以下研究：1）在惰性气氛下助熔剂法生长氧化亚铜晶体的研究和探索。利用NaB4O7·10H2O+NaF复合助熔剂体系，利用熔盐提拉法初步生长出了厘米级的黑红色晶体。2）利用生长获得的氧化亚铜晶体，研究了氧化亚铜单晶的切割、研磨、化学腐蚀、机械化学光等技术问题，研究了含N，Cl，Zn等主要杂质的氧化亚铜晶体半导体性能，研究了氧化亚铜晶体与各种金属的欧姆接触以及肖特基接触问题。3）原型太阳能电池的制备与研究：基于得到的氧化亚铜单晶衬底，用磁控溅射成膜手段在晶体上初步进行了制备同质或异质（氧化锌）半导体膜的研究，对制作的同质结或异质结太阳能电池的性能也进行了初步的评估，同时进行了钙钛矿太阳能电池的研究。研究成果共在国际 SCI 期刊上发表论文 7 篇，申请中国发明专利6项，其中获得授权3项，为氧化亚铜的后续研究提供了很好的基础。