一种低电阻率n型氧化亚铜薄膜的真空制备方法技术

本发明专利技术涉及一种低电阻率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。本发明专利技术电阻率低至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。

【技术实现步骤摘要】
一种低电阻率n型氧化亚铜薄膜的真空制备方法
本专利技术涉及一种低电阻率n型氧化亚铜薄膜的真空制备方法，属于材料制备

技术介绍
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Cu2Op-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,EfficiencyenhancementusingaZn1-xGex-Othinfilmasann-typewindowlayerinCu2O-basedheterojunctionsolarcells,Appl.Phys.Express9(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Cu2Op-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,Junctionstudiesonelectrochemicallyfabricatedp-nCu2Ohomojunctionsolarcellsforefficiencyenhancement,Phys.Chem.Chem.Phys.14(2012)6112–6118.]。最近，文献[X.M.Cai,X.Q.Su,F.Ye,H.Wang,X.Q.Tian,D.P.Zhang,P.Fan,J.T.Luo,Z.H.Zheng,G.X.Liang,V.A.L.Roy,Then-typeconductionofindium-dopedCu2Othinfilmsfabricatedbydirectcurrentmagnetronco-sputtering,Appl.Phys.Lett.107(2015)083901.]中使用直流磁控溅射法制备出了铟(In)掺杂的n型Cu2O薄膜。据我们所知，这是用真空工艺制备n型Cu2O薄膜的唯一报道。然而，用该方法制备的n型Cu2O薄膜的电阻率最低仍高达269.9Ω·cm，并且其迁移率仅有0.006cm2/Vs，不利于其在太阳能电池中的实际应用。综上，目前有多种方法(主要是溶液法)可以制备n型Cu2O薄膜，但是薄膜质量较差，电学性质亟待提高，难以应用于太阳能电池等器件。因此，通过探索和研究新的薄膜生长工艺，获得兼具低电阻率和高霍尔迁移率的高质量n型Cu2O薄膜，是提高Cu2O基太阳能电池效率的必要条件。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种低电阻率n型氧化亚铜薄膜的真空制备方法；通过探索和优化真空制备工艺，制备出了兼具低电阻率和高霍尔迁移率的高质量n型Cu2O薄膜。术语解释：PLD，PulsedLaserDeposition，脉冲激光沉积，也被称为脉冲激光烧蚀(pulsedlaserablation，PLA)，是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。本专利技术的技术方案为：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，包括：A、将步骤(2)得到的Cu2O薄膜置于等离子体清洗机腔室内，抽真空至180-200mTorr；B、打开氮气通气阀，向腔室内通入氮气；C、打开射频电源，选用低功率6-8W，产生的氮等离子体对Cu2O薄膜表面进行轰击，轰击时间为9-11min，即得低电阻率n型氧化亚铜薄膜。氮等离子体轰击Cu2O薄膜时，可以改变薄膜中的缺陷态及Cu/O原子比，使薄膜中占支配地位的点缺陷由受主型的铜(Cu)空位变为施主型的氧(O)空位，从而改变其导电性，使Cu2O薄膜由p型转化为n型。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(20.47Ω·cm)的n型Cu2O薄膜。作为对比，文献[K.H.Han,M.Tao,Electrochemicallydepositedp-nhomojunctioncuprousoxidesolarcells,Solarenergymaterialsandsolarcells93(2009)153-157.]中通过电化学沉积制备出n型Cu2O薄膜，其电阻率高达2.5×107-8.0×108Ω·cm。根据本专利技术优选的，所述步骤(2)，采用PLD方法在衬底上生长Cu2O薄膜，包括：a、将Cu2O陶瓷靶与所述衬底置于激光脉冲沉积设备的沉积室内，加热所述衬底至500-700℃，打开氧气通气阀，向沉积室通入氧气，调节沉积室的气体压强为0.08-0.10Pa；b、通过脉冲激光轰击所述Cu2O陶瓷靶，在所述衬底上沉积Cu2O薄膜；c、自然冷却至室温(25℃)，得到Cu2O薄膜。进一步优选的，所述步骤a，加热所述衬底至600℃，调节沉积室的气体压强为0.09Pa。上述合适的生长条件有效的改进了薄膜的结晶质量，提高了薄膜的载流子迁移率(40.20cm2/Vs)。作为对比，文献[N.Kikuchi,K.Tonooka,ElectricalandstructuralpropertiesofNi-dopedCu2Ofilmspreparedbypulsedlaserdeposition,ThinSolidFilms486(2005)33–37]制备的Cu2O薄膜迁移率在20–25cm2/Vs范围。由于衬底温度影响薄膜的结晶质量，本专利技术选取了600℃的衬底温度，使薄膜的结晶质量最好。沉积室气体压强过高或过低都不利于薄膜择优取向的形成，同时容易导致化学配比失衡，薄膜内部的缺陷增多。本专利技术采取的0.09Pa的气体压强使得到的薄膜为纯相高质量的Cu2O薄膜。根据本专利技术优选的，所述步骤b，所述脉冲激光的波长为248nm；所述脉冲激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低电阻率n型氧化亚铜薄膜的真空制备方法，其特征在于，包括：(1)清洗衬底；(2)在所述衬底上生长Cu2O薄膜；(3)使用氮等离子体处理步骤(2)得到的Cu2O薄膜，包括：A、将步骤(2)得到的Cu2O薄膜置于等离子体清洗机腔室内，抽真空至180‑200mTorr；B、向腔室内通入氮气；C、打开射频电源，选用低功率6‑8W，产生的氮等离子体对Cu2O薄膜表面进行轰击，轰击时间为9‑11min，即得低电阻率n型氧化亚铜薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种低电阻率n型氧化亚铜薄膜的真空制备方法，其特征在于，包括：(1)清洗衬底；(2)在所述衬底上生长Cu2O薄膜；(3)使用氮等离子体处理步骤(2)得到的Cu2O薄膜，包括：A、将步骤(2)得到的Cu2O薄膜置于等离子体清洗机腔室内，抽真空至180-200mTorr；B、向腔室内通入氮气；C、打开射频电源，选用低功率6-8W，产生的氮等离子体对Cu2O薄膜表面进行轰击，轰击时间为9-11min，即得低电阻率n型氧化亚铜薄膜。2.根据权利要求1所述的一种低电阻率n型氧化亚铜薄膜的真空制备方法，其特征在于，所述步骤(2)，采用PLD方法在衬底上生长Cu2O薄膜，包括：a、将Cu2O陶瓷靶与所述衬底置于激光脉冲沉积设备的沉积室内，加热所述衬底至500-700℃，打开氧气通气阀，向沉积室通入氧气，调节沉积室的气体压强为0.08-0.10Pa；b、通过脉冲激光轰击所述Cu2O陶瓷靶，在所述衬底上沉积Cu2O薄膜；c、自然冷却至室温，得到Cu2O薄膜。3.根据权利要求2所述的一种低电阻率n型氧化亚铜薄膜的真空制备方法，其特征在于，所述步骤a，加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯先进，许萌，刘晓辉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37