[发明专利]一种低电阻率n型氧化亚铜薄膜的真空制备方法

说明书

本发明涉及一种低电阻率n型氧化亚铜薄膜的真空制备方法，包括：(1)清洗衬底；(2)在所述衬底上生长Cu₂O薄膜；(3)使用氮(N)等离子体处理步骤(2)得到的Cu₂O薄膜。使用氮(N)等离子体处理Cu₂O薄膜，制备工艺简单、稳定；通过探索和优化工艺参数，实现了对薄膜结构、光学和电学性质的调控和优化，制备出了低电阻率的n型Cu₂O薄膜。本发明电阻率低至20.47Ω·cm，迁移率高达3.76cm²/Vs，薄膜的光学禁带宽度为2.55eV，在太阳能电池中具备了广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种低电阻率n型氧化亚铜薄膜的真空制备方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

随着化石能源的枯竭和全球环境的日益恶化，太阳能电池作为一种清洁和可再生的能源技术成为了人们研究的热点。氧化亚铜(Cu₂O)具有成本低、无毒、储备丰富和光学吸收系数高等优点，在太阳能电池领域有着很好的应用前景。由于Cu空位的存在导致Cu₂O是一种天然的本征p型半导体材料，因此它通常被用于制作基于p-n异质结构的太阳能电池器件。

然而，对于Cu₂O p-n异质结太阳能电池来说，需要在异质结界面处形成合适的能带匹配以促进载流子的分离同时减少电子和空穴的复合。此外，由于形成异质结的两种半导体材料通常存在晶格失配的现象，这导致大量的界面态作为复合中心而存在，从而抑制了电子和空穴的分离。因此，目前报道的Cu₂O太阳能电池的光电转化效率都不高。

文献[T.Minami,Y.Nishi,T.Miyata,Efficiency enhancement using a Zn_1-xGe_x-O thin film as an n-type window layer in Cu₂O-based heterojunction solarcells,Appl.Phys.Express 9(2016)052301.]中使用热氧化法生长的Cu₂O:Na作为光吸收层的MgF₂/AZO/ZnGeO/Cu₂O:Na结构的异质结太阳能电池可以达到8.1％的光电转化效率，这是目前报道的Cu₂O基太阳能电池的最高转化效率。然而由于p-n异质界面处晶格和能带失配问题的存在，导致Cu₂O p-n异质结太阳能电池很难实现其20％的理论光电转化效率。因此，性能优良的n型Cu₂O薄膜的制备，对于实现基于p-n同质结构的高效Cu₂O太阳能电池就显得尤为关键。

近年来，人们尝试了不同方法来制备n型Cu₂O薄膜，其中大多数都采用的溶液法。例如人们可以通过在电化学沉积过程中掺氯(Cl)或者调节溶液的pH值等途径制备出n型的Cu₂O薄膜。然而，到目前为止，所有报道的用溶液法制备的n型Cu₂O薄膜的电学性质都很差(电阻率高、迁移率低)，这导致用该方法制备的Cu₂O同质结太阳能电池的最高效率仅为1.06％[C.M.McShane,K.S.Choi,Junction studies on electrochemically fabricatedp-n Cu₂O homojunction solar cells for efficiency enhancement,Phys.Chem.Chem.Phys.14(2012)6112–6118.]。