堿性條件下電沉積制備Cu2O薄膜及其光電性能的研究

李廣立 范希梅（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

堿性條件下電沉積制備Cu2O薄膜及其光電性能的研究

李廣立 范希梅（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031）

采用硫酸銅～乳酸堿性溶液研究了溶液pH值對(duì)Cu2O薄膜形貌以及光電轉(zhuǎn)化效率的影響。結(jié)果表明：溶液pH值對(duì)晶粒形貌影響顯著。隨著溶液pH的增加，Cu2O薄膜的光電轉(zhuǎn)化效率升高。溶液pH=11時(shí)，獲得的光電轉(zhuǎn)化效率（η）最高為1.36%。

Cu2O薄膜；pH；光電轉(zhuǎn)化效率

氧化亞銅（Cu2O）是一種非化學(xué)計(jì)量化合物半導(dǎo)體材料，其直接禁帶寬度為1.9～2.2eV［1～3］，具有良好的氣敏性、無(wú)毒、低成本等優(yōu)點(diǎn)［4］。電沉積方法可以通過(guò)調(diào)整沉積參數(shù)來(lái)控制薄膜的生長(zhǎng)。因此，本文采用恒電位沉積法在FTO導(dǎo)電玻璃上制備Cu2O薄膜并通過(guò)控制變量法來(lái)系統(tǒng)研究溶液pH值及沉積電位對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、形貌以及光電性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)

以FTO導(dǎo)電玻璃為基底（10 Ω·cm～2）。電解液由0.4 mol/L硫酸銅和3mol/L乳酸的混合液組成，通過(guò)添加4mol/L的NaOH溶液來(lái)調(diào)節(jié)電解液的pH值。工作電極用的是1×2cm2的FTO導(dǎo)電玻璃，碳棒為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極，沉積時(shí)間5min，保持溶液溫度60℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用乙醇超聲清洗，室溫下干燥。

2　結(jié)果與討論

2.1溶液pH值對(duì)制備Cu2O薄膜的影響

2.1.1樣品的物相分析（XRD）

圖3～1是堿性電解液體系中，不同pH下恒電位沉積制備的Cu2O薄膜的XRD圖譜。從圖中可以看出，Cu2O薄膜樣品的衍射峰出現(xiàn)在2θ=29.55o，36.4o，42.3o和61.4o的位置，這與立方相氧化亞銅標(biāo)準(zhǔn)卡片（JCPDS No.65～3288，Pn～3m，a=4.267?）完全吻合，分別對(duì)應(yīng)氧化亞銅的（110），（111），（200）和（220）晶面。圖譜圖上除了基底的峰外沒(méi)有多余的峰，說(shuō)明沉積的樣品是沒(méi)有其他物相雜質(zhì)的純相氧化亞銅。

圖3～1　不同溶液pH下在FTO導(dǎo)電玻璃上制備的Cu2O的XRD圖

2.1.2樣品的微觀形貌分析（SEM）

圖3～2（a）～（e）　不同溶液pH下在FTO導(dǎo)電玻璃制備的Cu2O的形貌；（f）薄膜的厚度

圖3～2（a）～（e）是不同溶液pH下制備的Cu2O的SEM圖譜，圖3～2（f）是不同溶液pH下制備的Cu2O薄膜的厚度。圖3～2（a）是pH=8時(shí)的SEM，可以看出許多小顆粒堆積成比較疏松的結(jié)構(gòu)，且看不到明顯的晶面；圖3～2（b）是pH為9時(shí)，在FTO表面沉積的晶粒為立方體形貌，晶粒大小不均一，有些立方體晶粒交叉生長(zhǎng)在一起；圖3～2（c）為pH為10時(shí)，沉積出的薄膜致密，晶粒呈大小不一的金字塔形，晶面光滑；從圖3～2（d）圖中可以看出pH為11時(shí)，沉積的薄膜更加致密，晶粒大小均勻，而且有由金字塔形晶粒組成的球狀顆粒出現(xiàn)；當(dāng)pH為12時(shí)，沉積在FTO導(dǎo)電玻璃基底金字塔形的晶粒變大，而且大小很不均一。從圖3～2（f）可以看出，溶液pH為9時(shí)，Cu2O薄膜最薄為652nm，說(shuō)明晶粒生長(zhǎng)速度最慢；溶液pH為10、11時(shí)，Cu2O薄膜比較厚，說(shuō)明晶粒生長(zhǎng)速度較快。

2.1.3樣品的光電性能分析

圖3～3是不同溶液pH條件下制備的Cu2O薄膜的I～V曲線圖。在相同的0.1M Na2SO4溶液中，光強(qiáng)為100mW/cm2光照下，隨著pH的增加Cu2O薄膜的短路電流逐漸增加。當(dāng)pH=12時(shí)，短路電流達(dá)到最大值12.02mA/cm2。另外隨著pH的增加，光電轉(zhuǎn)化效率逐漸增加，當(dāng)pH=11時(shí)，光電轉(zhuǎn)化效率為1.36%達(dá)到最大值。

圖3～3　不同溶液pH下制備的Cu2O薄膜的I～V曲線

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)電化學(xué)沉積法在FTO導(dǎo)電玻璃上沉積了Cu2O薄膜?？疾炝巳芤簆H值對(duì)Cu2O薄膜及光電性能的影響。研究表明：隨著pH的增加Cu2O薄膜的光電轉(zhuǎn)化效率增加。pH=11時(shí)，光電轉(zhuǎn)化效率最高為1.36%。

［1］Z.C.Orel，A.Anzlovar，G.Drazic，M.Zigon.Cuprous oxide nanowires prepared by an additive～free polyol process［J］.Crystal Growth&Design［J］，2007，7：453～458.

［2］燕子鵬，蔡舒，武衛(wèi)兵.電化學(xué)法制備p型Cu2O半導(dǎo)體薄膜及其性能的表征［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45（3）：121～124.

［3］McShane C M，Choi K S.Photocurrent enhancement of n～type Cu2O electrodes achieved by controlling dendritic branching growth［J］.Journal of the American Chemical Society，2009，131 （7）：2561～2569.

［4］C.H.Kuo，M.H.Huang.Morphologically controlled synthesis of Cu2O nanocrystals and their properties［J］.Nano Today，2010，5：106～116.