碱性条件下电沉积制备Cu2O薄膜及其光电性能的研究

李广立 范希梅（西南交通大学材料科学与工程学院，四川 成都 610031）

碱性条件下电沉积制备Cu2O薄膜及其光电性能的研究

李广立 范希梅（西南交通大学材料科学与工程学院，四川 成都 610031）

采用硫酸铜～乳酸碱性溶液研究了溶液pH值对Cu2O薄膜形貌以及光电转化效率的影响。结果表明：溶液pH值对晶粒形貌影响显著。随着溶液pH的增加，Cu2O薄膜的光电转化效率升高。溶液pH=11时，获得的光电转化效率（η）最高为1.36%。

Cu2O薄膜；pH；光电转化效率

氧化亚铜（Cu2O）是一种非化学计量化合物半导体材料，其直接禁带宽度为1.9～2.2eV［1～3］，具有良好的气敏性、无毒、低成本等优点［4］。电沉积方法可以通过调整沉积参数来控制薄膜的生长。因此，本文采用恒电位沉积法在FTO导电玻璃上制备Cu2O薄膜并通过控制变量法来系统研究溶液pH值及沉积电位对薄膜结构、形貌以及光电性能的影响。

1　实验

以FTO导电玻璃为基底（10 Ω·cm～2）。电解液由0.4 mol/L硫酸铜和3mol/L乳酸的混合液组成，通过添加4mol/L的NaOH溶液来调节电解液的pH值。工作电极用的是1×2cm2的FTO导电玻璃，碳棒为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，沉积时间5min，保持溶液温度60℃。实验结束后，使用乙醇超声清洗，室温下干燥。

2　结果与讨论

2.1溶液pH值对制备Cu2O薄膜的影响

2.1.1样品的物相分析（XRD）

图3～1是碱性电解液体系中，不同pH下恒电位沉积制备的Cu2O薄膜的XRD图谱。从图中可以看出，Cu2O薄膜样品的衍射峰出现在2θ=29.55o，36.4o，42.3o和61.4o的位置，这与立方相氧化亚铜标准卡片（JCPDS No.65～3288，Pn～3m，a=4.267Å）完全吻合，分别对应氧化亚铜的（110），（111），（200）和（220）晶面。图谱图上除了基底的峰外没有多余的峰，说明沉积的样品是没有其他物相杂质的纯相氧化亚铜。

图3～1　不同溶液pH下在FTO导电玻璃上制备的Cu2O的XRD图

2.1.2样品的微观形貌分析（SEM）

图3～2（a）～（e）　不同溶液pH下在FTO导电玻璃制备的Cu2O的形貌；（f）薄膜的厚度

图3～2（a）～（e）是不同溶液pH下制备的Cu2O的SEM图谱，图3～2（f）是不同溶液pH下制备的Cu2O薄膜的厚度。图3～2（a）是pH=8时的SEM，可以看出许多小颗粒堆积成比较疏松的结构，且看不到明显的晶面；图3～2（b）是pH为9时，在FTO表面沉积的晶粒为立方体形貌，晶粒大小不均一，有些立方体晶粒交叉生长在一起；图3～2（c）为pH为10时，沉积出的薄膜致密，晶粒呈大小不一的金字塔形，晶面光滑；从图3～2（d）图中可以看出pH为11时，沉积的薄膜更加致密，晶粒大小均匀，而且有由金字塔形晶粒组成的球状颗粒出现；当pH为12时，沉积在FTO导电玻璃基底金字塔形的晶粒变大，而且大小很不均一。从图3～2（f）可以看出，溶液pH为9时，Cu2O薄膜最薄为652nm，说明晶粒生长速度最慢；溶液pH为10、11时，Cu2O薄膜比较厚，说明晶粒生长速度较快。

2.1.3样品的光电性能分析

图3～3是不同溶液pH条件下制备的Cu2O薄膜的I～V曲线图。在相同的0.1M Na2SO4溶液中，光强为100mW/cm2光照下，随着pH的增加Cu2O薄膜的短路电流逐渐增加。当pH=12时，短路电流达到最大值12.02mA/cm2。另外随着pH的增加，光电转化效率逐渐增加，当pH=11时，光电转化效率为1.36%达到最大值。

图3～3　不同溶液pH下制备的Cu2O薄膜的I～V曲线

3　结语

通过电化学沉积法在FTO导电玻璃上沉积了Cu2O薄膜。考察了溶液pH值对Cu2O薄膜及光电性能的影响。研究表明：随着pH的增加Cu2O薄膜的光电转化效率增加。pH=11时，光电转化效率最高为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］燕子鹏，蔡舒，武卫兵.电化学法制备p型Cu2O半导体薄膜及其性能的表征［J］.西安交通大学学报，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.