溶解调控双向脉冲电沉积法制备高性能Cu2O空穴传输层突破传统技术瓶颈

针对有机空穴传输材料(HTMs)稳定性差和传统直流(DC)电沉积Cu2O薄膜缺陷多的问题，研究人员创新性开发双向脉冲(BP)电沉积技术，通过-0.4V沉积/0.03V溶解的精准调控，实现相纯度77.38%的(100)取向Cu2O薄膜，载流子迁移率达46.14 cm2/V·s，为钙钛矿太阳能电池(PSCs)提供无需后处理的高性能无机HTL解决方案。

　　

在追求清洁能源的时代，钙钛矿太阳能电池(PSCs)以其惊人的光电转换效率成为学界宠儿，但其中有机空穴传输材料(HTMs)的"娇气"特性——易分解、成本高，像阿喀琉斯之踵般制约着商业化进程。氧化亚铜(Cu₂O)这个拥有2.17 eV直接带隙的无机p型半导体本应是完美替代者，可惜传统直流(DC)电沉积制备的薄膜布满铜离子(Cu²⁺)杂质和粗糙晶粒，导致器件效率仅13.48%，远低于25%的理论极限。更棘手的是，常规改善手段需要高温退火或掺杂，又违背了电沉积技术低成本、简易化的初衷。

中国国家自然科学基金资助项目支持下，研究人员在《Journal of Alloys and Compounds》发表突破性成果。他们创造性地采用双向脉冲(BP)电沉积技术，像精密的"分子雕刻刀"般，通过-0.4V沉积与0.03V溶解的交替循环，建立动态的沉积-溶解-再沉积平衡。这种创新方法不仅选择性蚀刻高能晶面缺陷，更诱导(100)晶面择优生长，一举攻克传统技术的三大痛点：将Cu⁺相纯度从55.89%提升至77.38%，表面粗糙度(Ra)控制在5 nm以下，载流子迁移率突破46.14 cm²/V·s。

关键技术包括：1）通过循环伏安法确定沉积(-0.2V~-0.6V)与溶解(0V~0.4V)电压窗口；2）优化双向脉冲参数，采用饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极；3）系统研究溶解电压对晶体取向的调控机制，发现0.03V为选择性蚀刻阈值。

【材料与方法】
使用ITO导电玻璃(10 Ω/sq)为基底，以CuSO₄-乳酸-NaOH体系为电解液，通过精确控制BP波形参数实现薄膜的可控生长。循环伏安测试揭示Cu₂O的氧化还原电位区间，为后续参数优化奠定基础。

【结果与讨论】
电压优化实验表明，0.03V溶解电压能选择性去除高能{110}/{111}晶面，同时保留低表面能的{100}晶面。XPS分析证实BP法制备的薄膜中Cu⁺占比显著提高，氧空位(O_V)与晶格氧(O_L)比例达到理想平衡。霍尔效应测试显示载流子浓度达9.06×10²¹ cm^-3，电阻率降低10%至1.62×10^-5 Ω/cm。

这项研究颠覆了传统电沉积技术的认知框架，证明溶解电压是独立于脉冲宽度比的关键调控维度。所制备的BP-Cu₂O薄膜兼具92%可见光透过率与优异电学性能，为PSCs提供了一种无需后处理的"绿色"HTL解决方案。该技术路径可扩展至其他金属氧化物半导体制备，对发展低成本、高效率的第三代光伏器件具有里程碑意义。论文通讯作者Yisa Liu团队的工作，为无机HTMs的工业化应用树立了新标杆。