关于铜氧化物薄膜的实验与数值结合研究：氧流驱动的相变调控及太阳能电池效率

《Energy Technology》：A Combined Experimental and Numerical Study on Copper Oxide Thin Films: Oxygen Flow-Driven Phase Tuning and Solar Cell Efficiency

铜氧化物薄膜通过调节氧气流量实现相位纯度与性能优化，23%流量时形成单相CuO并提升结晶度，低流量改善吸收率，高流量增强透射率，带隙1.73-1.98eV与相变匹配，模拟显示5μm CuO层太阳能电池效率22.8%。

　　

摘要

本研究探讨了通过反应性直流磁控溅射技术在室温下沉积的氧化铜薄膜，作为薄膜太阳能电池中的吸收层。在不同氧气流量（16–33%）条件下合成了这些薄膜。结构分析（X射线衍射、拉曼光谱）显示，在氧气流量为23%时，薄膜从Cu₄O₃与CuO的混合相转变为纯单斜相CuO，这一转变伴随着晶体粒度的提高。原子力显微镜观察结果显示，氧气流量影响薄膜的形貌，进而影响晶体的生长。光学性质随氧气流量的变化而变化：较低流量下吸收增强，而较高流量下透射率增加，表明缺陷密度降低。光带隙范围为1.73至1.98电子伏特，与相变情况一致。X射线光电子能谱进一步证实了在低氧气流量下存在Cu₄O₃相，在高氧气流量下存在CuO相，从而验证了观察到的相变过程。霍尔效应测量表明，氧气流量显著影响薄膜的电学性质，最佳性能出现在氧气流量为23–28%时。利用这些参数，对TiO₂/CuO太阳能电池进行的SCAPS-1D模拟预测，当CuO层厚度为5微米、光带隙为1.73电子伏特时，电池的转换效率可达22.8%，填充因子为89.3%。总体而言，研究结果表明通过调节氧气流量可以精确控制CuO薄膜的性质，凸显了其在高效太阳能应用中的巨大潜力。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。