舰船防化 ２０１５年第２期，４３，４７ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＤＥＦＥＮＣＥ ｏＮ ＳＨＩＰＳ 弛２．４３－－４７ 磁控溅射制备ｐ－Ｃｕ２Ｏ／ｎ．ＺｎＯ异质结光电 性能的研究 孟庆刚 （中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸０５６０２７） 摘要：太阳能光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将太阳能转换为电能的一种发电形式，而 ｐ－ｎ结是半导体材料迈向器件化必不可少的一步。ｃｕ２Ｏ由于制备成本低、来源广泛而成为Ｐ型材料 的研究热点。本文采用磁控溅射法制备Ｐ型Ｃｕ２０，并将其与ｎ型ＺｎＯ复合制备ｐ－ｎ结研究其光电性 能。实验结果表明，ｐ－Ｃｕ２Ｏ／ｎ—ＺｎＯ异质结制备良好，光源照射下产生光电压４０ ｍＶ，放电电流约为 １ｌ ｎＡ。 关键词：ｐ－ｎ结；Ｃｕ２Ｏ；光电性能 中图分类号：０４６９．４ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｈｏｔｏ－－ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐ－－Ｃｕ２０／ｎ－－ＺｎＯ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｍｅｎｇ Ｑｉｎｇ—ｇａｎｇ （Ｔｈｅ ７ １ ８ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＳＩＣ，Ｈａｎｄａｎ ０５６０２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ—ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｔｙｐｅ ｗｈｉｃｈ ｃｈａｎｇｅｓ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｙ ｂｙ ｔｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｐ—ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｆｏｒ ｉｔｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｕｓｅ．Ｃｕ２０ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａ ｈｏｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｃｕｓ ｆｏｒ ｉｔｓ ｌｏｗ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｗｉｄｅ ｏｒｉｇｉｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｐ－ｔｐｅ Ｃｕ２０ ｗａｓ ｙｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｕｎｄｅｄ ｗｉｔｈ ｎ—ｔｙｐｅ ＺｎＯ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｏｒｍ ｆＰ—ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ．Ｉｔ ｄｅｎｏｔｅｄ ｔｈａｔ Ｐ－Ｃｕ２０／ｎ—ＺｎＯ ｗａｓ ｗｅｌｌ ｐｒｅｐａｒｅｄ．Ｉｔ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ａｂｏｕｔ ４０ ｍＶ ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ ｉｎ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｌａｍｐ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆｎｅａｒｌｙ １ １ ｎＡ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐ—ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ，Ｃｕ２０，Ｐｈｏｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ０引言 太阳能光伏发电是利用半导体材料光伏效应直 备成本低，材料广泛易得等优点，而成为众多研究者 的研究热点。Ｃｕ２Ｏ是立方晶系结构，禁带宽度约为 ２．１７ ｅＶ，稳定性好，因此被广泛应用于太阳能电池…、 湿度传感器【２Ｊ和光催化【３Ｊ等。而在太阳能电池上，其 理论转化效率可达１８％【４］，因此具有很大的研究应用 接将太阳能转换为电能的一种发电形式，而ｐ－ｎ结是 半导体材料迈向器件化必不可少的一步。ｎ型透明导 电材料目前研究比较成熟，且性能良好。而Ｃｕ２０是 最早被发现的Ｐ型半导体材料之～，它具有无毒，制 前景。目前已经开始有与ｐ．Ｃｕ２Ｏ／ｎ—ＺｎＯ有关的Ｐ—ｎ 结制备和性能的研究。日本立命馆大学Ｊ．Ｋａｔａｙａｍａ ２０１５年第２期 磁控溅射制备ｐ－Ｃｕ２Ｏ／ｎ—ＺｎＯ异质结光电性能的研究 ・４５・ ｒｒＢ， 口圣 站三电极方法检测ｐ－ｎ异质结光伏性能，其中钨灯光 源强度为１．０５ Ｗ／ｃｍ 。 ２结果及讨论 ２．１ Ｐ型Ｃｕ２０薄膜的表征 ２．１．１ Ｃｕ２Ｏ薄膜ＸＲＤ分析 柑～毒∞ｃ里ｃ— 图２制备Ｃｕ２Ｏ薄膜ＸＲＤ分析 Ｆｉｇ．２ ＸＲＤ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｕ２０ ｆｉｌｍ 图２是制备Ｃｕ２Ｏ薄膜的ＸＲＤ分析图谱。由图 可知，薄膜退火后ＸＲＤ谱图中除了有ＳｉＯ２的衍射峰 （在２２。左右，来源于石英衬底），还主要出现了由 Ｃｕ２０产生的（１１１）、（２００）晶面衍射峰及Ａｌ２Ｏ３衍射 峰。 ２．１．２电学性能分析 表３ Ｃｕ２Ｏ薄膜电学性能参数 Ｔａｂ．３ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｃｕ２０ ｆｉｌｍ 性能参数 薄膜厚度 １．０３ ｕｍ 迁移率 ｌ２．１２ ｃｍ２／Ｖｓ 载流子浓度 ４．９×１０ ｃｍ－ 霍尔系数 １２５．８０ ｃｍ。 ／Ｃ 电导率 ８．８０ｘ１０‘ Ｓ／ｃｍ 制备薄膜的电学性能参数采用霍尔效应测试仪 在常温下进行测试，如表３所示。由测试结果知，测 得的正霍尔系数表明其为良好的Ｐ型半导体。根据测 得的电阻及薄膜厚度，计算得薄膜的电导率为 ８．８０￣１０～Ｓ／ｃｍ。因此本实验采用磁控共溅射法成功制 备具有良好电学性能的Ｐ型Ｃｕ２０薄膜。 ２．２ ｎ型ＺｎＯ薄膜的表征 ２．２．１沉积ＺｎＯ薄膜的结构、形貌表征 Ａ ＺｎＯ・ ）● １０ ２０ ３０ ４０ ５Ｏ ６０ ７０ ８０ ２ｅ，。 图３ＺｎＯ溥膜ＸＲＤ Ｆｉｇ．３ ＸＲＤ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ＳＥＭ ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ＺｎＯ ｆｉｌｍ 图３是沉积温度３５０℃时薄膜的ＸＲＤ图。由图 知，沉积薄膜具有明显的单一Ｃ轴（００２），（００４）晶 面取向，晶体沿（００１）晶面择优生长，制各薄膜质 量高。高度择优的薄膜对其优异性能的表现有着至关 重要的作用。 ２．２．２沉积ＺｎＯ薄膜的光学性能表征 图４为沉积ＺｎＯ薄膜紫外可见透过性光谱图。 由图知，沉积制备ＺｎＯ薄膜可见光透过率在６０％～ ９０％，具有很高的可见光透过特性，同时在紫外区具 有很强的吸收。这与ＺｎＯ薄膜良好的结晶特性有密 切关系。 Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ 图４ ＺｎＯ薄膜紫外可见透过性光谱图 Ｆｉｇ．４ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ＺｎＯ ｆｉｌｍ ２．２．３ ＺｎＯ电学性能分析 ∞。ｕ Ｉ・４６・ 舰船防化 ２０１５年第２期 穹ｍ～誊∞ｃ９ｌｕ— 表４为直流磁控溅射制备ＺｎＯ薄膜的电学性能 参数。制备的ＺｎＯ薄膜采用霍尔效应测试仪在常温 下进行测试。由测试结果可知，负霍尔系数表明制备 的ＺｎＯ薄膜材料是ｎ型半导体。采用台阶测试仪知 在可见光区透过率最高可达５０％，可见光透过性良好。 制备薄膜厚度为１．０１￣ｔｍ，根据测试电阻得薄膜电导 率为８２．０ Ｓ／ｃｍ。因此，实验成功制备具有良好光学 及电学性能的ｎ型半导体。 表４ＺｎＯ薄膜电学性能参数 Ｔａｂ．４ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＺｎＯ ｍｍ 性能参数 薄膜厚度 １．０１ ｌａｍ 迁移率 ４．９９ ｃｍ ／Ｖｓ 载流子浓度 １．０３ｘ１０２０ ｃｍ一３ 霍尔系数 ．６．０６￣１ ０‘ ｃｍ－０／Ｃ 电导率 ８２．０ Ｓ／ｃｍ ２．３ Ｐ．Ｃｕ２Ｏ／ｎ．ＺｎＯ异质结薄膜制备 ２．３．１ Ｐ Ｃｕ２０／ｎ－ＺｎＯ异质结ＸＲＤ结构表征 图５为ｐ－ｎ异质结ＸＲＤ谱图，由图可知，Ｐ．ｎ结 薄膜含有石英衬底ＳｉＯ２产生的衍射峰（约为２２。）， ＺｎＯ产生的（００２）晶面（约３４．３８。）和（１０３）晶面 （约６２．７８。）衍射峰，Ｃｕ２Ｏ主要产生的（１ｌ１）晶面 （３６．４２。）衍射峰。 Ｚ丑， 图５ ｐ－ｎ异质结ＸＲＤ谱图 Ｆｉｇ．５ ＸＲＤ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｐ—ｎ ｊｕｃｔｉｏｎ ２＿３．２ ｐ－Ｃｕ２０／ｎ．ＺｎＯ异质结光学性能测试 图６为Ｐ．ｎ异质结的紫外可见透过性光谱图。由 图６知，制备Ｐ—ｎ异质结在紫外区具有良好的吸收， 图６ ｐ－ｎ异质结的紫外可见透过性光谱图 Ｆｉｇ．６ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆｐ—ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ２．３＿３ Ｐ．Ｃｕ２Ｏ／ｎ．ＺｎＯ薄膜的光电性能测试 制备的ｐ－ｎ结薄膜在钨灯光源下照射，采用三电 极电池系统测试其电学性能。Ｐ—Ｃｕ２Ｏ／ｎ—ＺｎＯ薄膜在 镀制ＺｎＯ沉积温度３５０℃时的光电压图如７所示。 ＞ Ｅ ＝ ．歪 芒 ∞ 芑 图７ Ｃｕ２０／ＺｎＯ薄膜在钨灯光开及光关时光电压变化图 Ｆｉｇ．７ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ Ｃｕ２０／ＺｎＯ ｉｆｌｍ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｒｒａｄｉｔｉｎｇ ｉｎ ｌａｍｐ 由图７可知，随着光源灯开及灯关测得的光电压 均有明显的上升及下降趋势。光开稳定时电压在 ４０ｍＶ左右，而单层的Ｐ型Ｃｕ２０和ｎ型的ＺｎＯ薄膜 在光照下均没有明显的光电压产生。 Ｃｕ２Ｏ／ＺｎＯ薄膜的放电曲线如８所示，由图知制 备Ｐ—ｎ结放电电流约为１１ ｎＡ。放电电流数值偏小， 可能的原因是Ｐ型Ｃｕ２Ｏ薄膜与ｎ型ＺｎＯ薄膜在晶粒 边界及晶面之间结构上的不匹配及测试时探针与薄 ２０１５年第２期 磁控溅射制备ｐ－Ｃｕ２０／ｎ—ＺｎＯ异质结光电性能的研究 Ｖｕ、芒 Ｊｎ０ ・４７・ 膜之间导致的接触电阻过大有关。 图８ Ｃｕ２Ｏ／ＺｎＯ薄膜的放电图 Ｆｉｇ．８ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ Ｃｕ２０／ＺｎＯ ｆｉｌｍ ３结论 本文通过研究磁控溅射法制备Ｐ型Ｃｕ２Ｏ薄膜， 将其与ＺｎＯ薄膜复合制备ｐ－ｎ异质结，通过结构及光 电性能表征确定ｐ－ｎ结的特性。由结构及光电性能表 征表明：ｐ－ｎ结主要成分为Ｃｕ２０及ＺｎＯ；紫外光基 本吸收，可见光最高透过性可达５０％；光开稳定光 电压约为４０ｍＶ，产生放电电流１１ ｎＡ左右。本论文 的结果为Ｐ—ｎ异质结的深入研究奠定基础。 参考文献 ［１］Ｏｚｅｒ Ｎ，Ｔｅｐｅｈａｎ Ｅ Ｓｔｍｃｍｒｅ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ ｃｏｐｐｅｒ ｏｘｉｄｅ ｆｉｌｍｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｒｅａｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．Ｓｏｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒ Ｓｏｌ Ｃｅｌｌｓ，１９９３，３０（１）：１３￣２６ ［２］Ｐａｒｒｅｔａ Ａ，Ｊａｙａｒａｊ Ｍ．Ｋ．，Ｎｏｃｅｒａ Ａ．Ｄ．，ｅｔ ａ１．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｏｘｉｄｅ ｆｉｌｍｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｒｅａｃｔｉｖｅ ＲＦ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏ１．（ａ），１ ９９６，１ ５５（２）： ３９９￣４０４ ［３］Ｋｕｍａｒ Ｒ．Ｖ，Ｅｌｇａｍｉｅｌ Ｒ，Ｄｉａｍａｎｔ Ｇｅｄａｎｋｅｎ Ａ，Ｎｏｒｗｉｇ Ｊ． Ｓｏｎｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｃｏｐｐｅｒ ｏｘｉｄｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏ１） ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ｏｘｉｄｅ［Ｊ】＿Ｌａｎｇｍｕ￣ ２００１，１７（５）：１４０６￣１４１０ ［４］Ｒｏｏｓ Ａ，Ｃｈｉｂｕｙｅ Ｋａｒｌｓｏｎ Ｂ．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｏｘｉｄｉｚｅｄ ｃｏｐｐｅｒ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｆｏｒ ｓｏｌａｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［ｊ］．Ｓｏｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒ， １９８３，７：４５３￣４６５ 【５］Ｋａｔａｙａｍａ Ｊ，Ｉｔｏ Ｋ，Ｍａｔｓｕｏｋａ Ｍ，Ｔａｍａｋｉ Ｊ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｃｕ２０／ＺｎＯ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｔｗｏ—ｓｔｅｐ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｙｒ，２００４，３４：６８７￣６９２ 作者简介：孟庆刚（１９８６～），男，工学硕士，助理工程师， ２０１２年毕业于北京航空航天大学环境科学与工程专业，现从 事新材料的研发。 Ｙ Ｖ Ｙ Ｙ Ｙ Ｖ Ｙ Ｙ Ｖ Ｖ Ｙ Ｙ Ｖ Ｙ Ｙ Ｖ Ｙ Ｙ Ｙ Ｖ Ｙ Ｙ Ｙ－ ～ ’ ； ： ＰＭ２．５防霾口罩（礼盒装） 、 。 ： ： ｉ产品介绍： ： ｉ ： 本品由抗菌防尘性口罩及插入式防ＰＭ２．５过 ～ 。 。 滤片两部分组成。罩体为优质全棉布料，温柔贴近 ： ： 皮肤。过滤片材质分为内、中、外三层，内层及外 ： ；层采用高洁净无纺布，中层为超细聚丙烯纤维熔喷 ： ： 布材料层，过滤效果高，阻力低，无毒无害，无异 ： ： ；味。本品对ＰＭ２．５细微颗粒物有良好的过滤效果， ： ： ｉ防尘、抑菌、阻挡汽车尾气、拦截二手烟，全方位 ｉ…………………………………………………、ｊ