Optimization of conductive properties by controlling the valence of metal elements in oxide semiconductors and application to photovoltaic devices

通过控制氧化物半导体中金属元素的价态优化导电性能及其在光伏器件中的应用

基本信息

批准号：
21K04643
负责人：
芦田淳
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Osaka Metropolitan University (2022)Osaka Prefecture University (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、電気化学成長（ECD）法によって太陽電池や光触媒へ応用可能な半導体である亜酸化銅（Cu2O）薄膜を作成します。ECD法は、原料の使用効率が高くかつ低消費電力でグリーンな製膜法です。またCu2Oは、人体に有害な元素や希少元素を含まず原料コストも小さいという、太陽電池などの大面積素子に適した化合物半導体の一つですが、半導体としての特性制御の難しさが課題です。銅（Cu）の酸化は、+1価の銅からなる亜酸化銅（Cu2O）、+2価の銅からなる酸化銅（CuO）の順に進行します。しかし一般には一様に酸化が進まず、Cu2Oが支配的であっても他の２状態が必ず存在し、不純物が存在することに近い影響をおよぼすため、これらの種と量の制御ができなければ実用化は困難です。これに対して本研究で用いるECD法は、水溶液中で生じる電気化学反応を利用します。電気化学反応では、電解液中に存在するイオン種が決まれば、理論的には液体ならびに結晶が成長する電極の状態によってその価数や酸化状態が一意に決定されます。特に電解液濃度、電解液のpHと電極に印加される電位が支配的条件で、電解液濃度を一定とした場合に他の二つのパラメーターを両軸にとって各酸化物種やイオンの価数が安定な領域の境界を示した電位-pH図が、各種元素に対して作成されています。生成条件の実際の境界は理論計算からずれることが多くあり、実用研究に向けては実験的な検証と補正が必須です。本研究ではCuに対する電位-pH図におけるCu2O安定領域の境界を明確にし、それを跨ぐように成長条件を行き来させることで、両側の物質、すなわち0価のCuとCu2+からなるCuOを任意の割合で含んだ状態を実現する事で、Cu2Oの電気伝導特性を制御する事を目的とします。現在までに、ｐHを一定とし印加電位を変化させてCu2Oを主相とする薄膜を得ることに成功しています。

在这项研究中，我们将创建一个铜氧化铜（CU2O），该薄膜是一种半导体，可以使用电化学生长（ECD）应用于太阳能电池和光催化剂。 ECD方法是一种绿色膜的生产方法，可有效使用高原材料，消耗低功率，因此。 Cu2O也是适用于大面积元素（例如太阳能电池）的复合半导体之一，这些元素包含对人体有害的元素，在原材料成本中并不小，并且适合大面积元素，例如太阳能电池，但挑战是控制半导体特征的困难。铜（CU）的氧化遵循以下顺序：氧化铜（CU2O）由 +1-Valent铜和氧化铜（CUO）组成，由 +二价铜组成。但是，通常，氧化并不均匀地进展，即使Cu2O占主导地位，总会有其他两个状态，其作用与杂质的存在相似，因此除非控制这些物种和数量，否则很难将其用于实际使用。相反，本研究中使用的ECD方法利用了水溶液中发生的电化学反应。在电化学反应中，如果确定了电解质中存在的离子物种，则从理论上讲，液体的价和氧化态以及晶体生长的电极的独特确定。特别是，电解质浓度，电解质的pH和施加到电极的电势是主导的，当电解质浓度是恒定的时，为各种元素创建了电势pH图，显示了每个氧化物物种和离子的价值稳定的区域之间的边界，而其他两个参数则是两个轴。发电条件的实际边界通常偏离理论计算，实验验证和校正对于实践研究至关重要。这项研究旨在阐明Cu的电位ph图中Cu2O稳定区域的边界，并移动其跨越其中的生长条件，从而意识到一种状态，在该状态下，在任何比例中都包含双方的材料，即零值Cu和Cu2+，从而在任何比例中都包括在内，从而控制了CU2O的电导率。迄今为止，我们通过保持pH值恒定并改变应用电势来成功获得了Cu2O作为主要相的薄膜。