1317-39-1 / 氧化亞銅新能源材料研究獲進展

氧化亞銅（Cu2O）是一種性能優異的半導體材料，它具有2.1eV（590nm）的直接帯隙以及很高的可見光吸收系數，再加上它具有無毒、低價、原料豐富等優點，已成為太陽能轉化與利用研究領域的重要材料。理論預計基于Cu2O的太陽能電池效率可達20%，通過摻雜引入合適的中間帶（intermediate band）后，其光電轉換效率的理論極限可進一步提高到~60%。同時，Cu2O具有光催化活性，可以直接利用可見光來催化水的裂解產生氫氣。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）清潔能源前沿研究重點實驗室杜小龍研究組持續開展了Cu2O單晶薄膜的可控生長、摻雜及缺陷調控等一系列研究工作，獲得了一些重要進展。Cu2O中Cu處于中間價態，這為單一價態Cu2O的制備帶來了困難，梅增霞副研究員、李俊強博士、杜小龍研究員等通過對Cu膜氧化動力學過程的系統研究，實現了氧化過程的精確控制，抑制了欠氧化或過氧化所造成的金屬Cu或二價CuO團簇的形成，并進一步發展了Cu2O的外延生長工藝，利用分子束外延法在ZnO、MgO、SrTiO3等多種襯底上制備出高質量Cu2O單晶薄膜。通過調節富銅/富氧生長條件，實現了薄膜中本征缺陷種類及濃度的調控，在室溫下觀察到了強烈的激子發光，并證實了銅空位（VCu）是影響激子特性的主要原因，而氧空位（VO）含量對激子發光的影響較小。

摻雜是調控Cu2O光電特性以滿足器件應用需要的必要手段，最近該團隊和E02組孟慶波研究員、SF3組紀愛玲副研究員以及挪威奧斯陸大學的Andrej Kuznetsov教授等合作，通過氮摻雜技術實現了對Cu2O的電性調控，并系統研究了雜質和缺陷在Cu2O晶格中的動力學行為。N原子摻入會占據O原子位形成替位原子，還會導致薄膜中VO含量增加，并有部分N原子會形成填隙原子（Ni）。Ni是一種在研究中被長期忽視的缺陷，然而該團隊的研究結果證明：它與其他缺陷的相互作用對Cu2O薄膜的光電性能產生了重要影響。在適當的退火條件下，Ni能夠遷移到VO的位置填補這一空位，導致VO和Ni減少以及NO增加，從而使薄膜性質發生相應的改變。這一工作發表在Scientific Reports 4, 7240 (2014)。基于對氮摻雜機理的理解，通過對摻雜及退火條件的設計，可以大幅提高Cu2O薄膜光電性能，為其在能源器件中的應用打下堅實的材料基礎。

上述工作得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的項目資助。

Cu2O摻雜機理研究論文：Scientific Reports 4, 7240 (2014)

Cu膜氧化動力學過程研究論文：Chin. Phys. B 21, 076401 (2012)

Cu2O單晶薄膜外延生長研究論文：J. Cryst. Growth 353, 63 (2012)

Cu2O激子發光研究論文：Opt. Mater. Express 3, 2072 (2013)

圖1. Cu2O單晶薄膜的制備：ZnO模板上（a）Cu2O(111)和（b）Cu2O(110)薄膜的XRDθ-2θ掃描結果及RHEED監測結果；（c）ZnO/Cu2O異質結原型器件示意圖及I-V測試結果；（d）藍寶石上Cu2O單晶薄膜的XRD θ-2θ掃描及RHEED監測結果；（e）藍寶石上單晶Cu2O薄膜的XRD ф掃描結果。

圖2. Cu2O光電性能調控及缺陷研究：（a）摻氮樣品的XRD θ-2θ?掃描結果；霍爾測試得出的（b）電性隨摻雜濃度變化及（c）電性隨退火溫度變化的結果；（d）室溫下PL測試結果以及用聲子輔助的模型對激子發光峰的擬合；（e）摻氮樣品的室溫PL譜；（f）氮摻雜樣品中雜質缺陷作用機理示意圖。