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（西南交通大學材料科學與工程學院，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（西南交通大學材料科學與工程學院，四川 成都 610031）

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

Cu2O薄膜；pH；光電轉化效率

氧化亞銅（Cu2O）是一種非化學計量化合物半導體材料，其直接禁帶寬度為1.9～2.2eV［1～3］，具有良好的氣敏性、無毒、低成本等優點［4］。電沉積方法可以通過調整沉積參數來控制薄膜的生長。因此，本文采用恒電位沉積法在FTO導電玻璃上制備Cu2O薄膜并通過控制變量法來系統研究溶液pH值及沉積電位對薄膜結構、形貌以及光電性能的影響。

1　實驗

以FTO導電玻璃為基底（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，通過添加4mol/L的NaOH溶液來調節電解液的pH值。工作電極用的是1×2cm2的FTO導電玻璃，碳棒為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，沉積時間5min，保持溶液溫度60℃。實驗結束后，使用乙醇超聲清洗，室溫下干燥。

2　結果與討論

2.1溶液pH值對制備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在2θ=29.55o，36.4o，42.3o和61.4o的位置，這與立方相氧化亞銅標準卡片（JCPDS No.65～3288，Pn～3m，a=4.267?）完全吻合，分別對應氧化亞銅的（110），（111），（200）和（220）晶面。圖譜圖上除了基底的峰外沒有多余的峰，說明沉積的樣品是沒有其他物相雜質的純相氧化亞銅。

圖3～1　不同溶液pH下在FTO導電玻璃上制備的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時的SEM，可以看出許多小顆粒堆積成比較疏松的結構，且看不到明顯的晶面；圖3～2（b）是pH為9時，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在一起；圖3～2（c）為pH為10時，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，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；當pH為12時，沉積在FTO導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，Cu2O薄膜最薄為652nm，說明晶粒生長速度最慢；溶液pH為10、11時，Cu2O薄膜比較厚，說明晶粒生長速度較快。

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pH=12時，短路電流達到最大值12.02mA/cm2。另外隨著pH的增加，光電轉化效率逐漸增加，當pH=11時，光電轉化效率為1.36%達到最大值。

圖3～3　不同溶液pH下制備的Cu2O薄膜的I～V曲線

3　結語

通過電化學沉積法在FTO導電玻璃上沉積了Cu2O薄膜?？疾炝巳芤簆H值對Cu2O薄膜及光電性能的影響。研究表明：隨著pH的增加Cu2O薄膜的光電轉化效率增加。pH=11時，光電轉化效率最高為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，武衛兵.電化學法制備p型Cu2O半導體薄膜及其性能的表征［J］.西安交通大學學報，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.