氧化铜及掺铟氧化铜薄膜的磁控溅射制备及研究

论文摘要

氧化铜作为环保、无毒、廉价的直接带隙半导体材料,在诸多领域尤其太阳能电池领域有美好的应用前景。本研究采用直流磁控溅射法制备了氧化铜（CuO）及掺铟氧化铜（CuO:In）薄膜,并着重研究了氧氩比、衬底温度、溅射功率、反应气压等参数对薄膜微结构和光、电学性质的影响。此外,尝试制备了结构为Ag/PCBM/CH3NH3PbI3/CuO/FTO的钙钛矿太阳能电池并测试其J-V特性。主要结果如下:（1）衬底温度170℃时制备了<-111>择优取向的单相CuO薄膜。晶轴a和b方向上存在压应力,而c轴上微观应力随衬底温度升高由压应力转变为拉应力。光学吸收边值在1.85 eV-1.94 eV之间变化,光学吸收边的略微蓝移可归结于量子尺寸效应。（2）氧氩比为1:2、衬底温度≥300℃时制备的CuO薄膜具有单相结构,而600℃时薄膜的<111>择优取向最强,500℃时薄膜的导电类型开始从p型转变n型。晶轴a,b和c方向上的微观应力随衬底温度升高均呈现为拉应力。薄膜的光学吸收边随着衬底温度的升高而先略微蓝移后红移。衬底温度为400℃时,薄膜的自由载流子浓度达到最大值3.406×1019cm-3。（3）室温时通过调制溅射功率制备了<-111>择优取向的CuO:In薄膜,CuO:In仍是直接带系半导体。随着溅射功率的增加,薄膜的<-111>择优取向增强,在140W时薄膜的择优性最强。轴a,b和c方向上的薄膜微观应力均为拉应力,薄膜的光学吸收边随溅射功率的增加略微红移,溅射功率为100 W时薄膜的导电类型开始由p型转变为n型。薄膜的自由载流子浓度具有最大值9.333×1018cm-3,而迁移率具有最大值23.38 cm2s-1V-1。（4）室温下在不同反应气压条件下制备了CuO:In单相薄膜。CuO:In仍为直接带隙半导体。高溅射功率下增大反应气压使薄膜的结晶改善和<-111>择优取向增强。薄膜a,b和c轴方向的晶粒生长呈现各向异性,薄膜的自由载流子浓度值均大于1018cm-3,且导电类型随反应气压发生转变。（5）CuO薄膜可作为空穴传输层应用于钙钛矿太阳能电池。制备的Ag/PCBM/钙钛矿/CuO/FTO反型结构的太阳能电池的效率为1.3%,其中短路电流、开路电压、填充因子分别为3.26E-4 A、0.597 V、40.1%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 CuO材料概述
•     1.2.1 CuO的结构
•     1.2.2 CuO的物理-化学性质
•     1.2.3 CuO的光电学性质
•     1.2.4 CuO的应用领域
•   1.3 CuO的研究现状
•   1.4 CuO掺杂的研究现状
•   1.5 选题依据及本论文研究的主要内容
• 2 CuO薄膜的制备方法与表征手段
•   2.1 CuO薄膜的制备方法
•   2.2 实验所用材料及设备
•   2.3 CuO及CuO:In薄膜的表征手段
•     2.3.1 X射线衍射（XRD）
•     2.3.2 Raman光谱
•     2.3.3 场发射扫描电子显微镜（FESEM）
•     2.3.4 紫外-可见分光光度计
•     2.3.5 霍尔测试
•   2.4 小结
• 3 CuO薄膜的制备及表征
•   3.1 常温下氧氩比对CuO薄膜的影响
•     3.1.1 微结构
•     3.1.2 光学性质
•     3.1.3 电学性质
•   3.2 衬底温度为170℃时氧氩比对CuO薄膜的影响
•     3.2.1 微结构
•     3.2.2 光学性质
•   3.3 衬底温度对CuO薄膜的影响
•     3.3.1 微结构
•     3.3.2 光学性质
•     3.3.3 电学性质
•   3.4 钙钛矿太阳能电池的制备与研究
•   3.5 小结
• 4 掺铟氧化铜（CuO:In）薄膜的制备与表征
•   4.1 室温下溅射功率对CuO:In薄膜的影响
•     4.1.1 微结构
•     4.1.2 光学性质
•     4.1.3 电学性质
•   4.2 反应气压对CuO:In薄膜的影响
•     4.2.1 微结构
•     4.2.2 光学性质
•     4.2.3 电学性质
•   4.3 氧氩比对CuO:In薄膜的影响
•     4.3.1 微结构
•     4.3.2 光学性质
•     4.3.3 电学性质
•   4.4 衬底温度对CuO:In薄膜的影响
•     4.4.1 微结构
•     4.4.2 光学性质
•     4.4.3 电学性质
•   4.5 小结
• 5 工作总结与展望
•   5.1 工作总结
•   5.2 工作展望
• 参考文献
• 个人简历、硕士期间成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杜永利

导师: 郜小勇

关键词: 薄膜,磁控溅射法,微结构,光学性质,电学性质

来源: 郑州大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 无机化工,材料科学,工业通用技术及设备,电力工业

单位: 郑州大学

分类号: TB383.2;TQ131.21;TM914.4

总页数: 76

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