太阳能电池、光催化中的氧化亚铜应用

张良+田庄

摘 要：本文主要研究了氧化亚铜在太阳能电池以及光催化中的应用现状和应用前景，氧化亚铜作为一种优秀的半导体光电功能材料，在太阳能电池以及光催化中的应用前景十分广阔，但是受到各种条件的限制，目前尚不能够进行大规模的应用，还需进行进一步的研究与完善。

关键词：太阳能电池；光催化；氧化亚铜；应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.080

随着我国社会经济的发展，我国人民的生活水平得到了巨大的提升，我国人民对于环境污染和生态破坏的问题也越来越重视，传统的煤炭发电由于对环境的污染较大，逐渐被社会所淘汰，取而代之的是风能、太阳能、核能等新型能源的广泛应用，其中太阳能是一项非常重要的能源类型，取之不尽、用之不竭，并且不会产生任何的环境污染和生态破坏，太能能电池的使用越来越受到我国的重视。要想把太阳能转换为电能需要使用相应的催化剂，氧化亚铜作为一种优良的光催化剂在太阳能发电中得到了比较广泛的应用，为了分析氧化亚铜在太阳能和光催化中的应用，我们特地进行了此次研究。

1 氧化亚铜在太阳能电池中的应用

氧化亚铜是一种天然的p型半导体材料，在氧化亚铜内部存在着大量的VCu，这也是氧化亚铜能够进行p型导电的主要原因。为了降低电阻率，人们通过很多中方式获得了n型氧化亚铜薄膜，但是由于n型氧化亚铜薄膜的载流子浓度和迁移率都非常低，所以还是存在着总电阻率较高的现象，导致人们制造出的同质pn结太能能电池发电效率非常低。为了增强太阳能电池的光转换效率，相关领域的研究者又使用Ca掺杂ZnO、Sn掺杂In2O3薄膜作为太阳能电池的n型层。在进行太阳能电池研究与制作的过程中，加强氧化亚铜薄膜的质量是提高太阳能电池性能的主要因素，提高氧化亚铜的晶粒尺寸、降低氧化亚铜薄膜的电阻，增强载流子的迁移率等都能够起到提升氧化亚铜薄膜质量的作用。为几种氧化亚铜pn结太阳能电池的转换效率[1]。

太阳能电池的发电效率除了受p型和Cu2O层的影响较大之外，还对n型导电层具有很强的依赖性，在进行太阳能电池制作时，使用纳米棒阵列能够与氧化亚铜之间形成较大的接触面积，对于载流子的运输能够起到很大的促进作用，所以ZnO纳米棒阵列、TiO2纳米管阵列逐渐取代了ZnO或者FTO导电薄膜层，越来越多的被应用到太阳能电池之中。通过电化学沉积法得到的氧化亚铜纳米柱异质结太阳能电池的转化率能够达到0.89%。使用阳极氧化法制备出的TiO2纳米管阵列，电沉积一层Cu2O薄膜后，能够得到Cu2O/TiO2径向异质pn结电池原型器件，这种全固态的太能能电池转换效率并不是很高，转化率大概在0.01%左右，但是这种太阳能电池的制作成本比较低，原材料丰富，能够进行规模化的生产，所以在光伏太阳能发电站、超级电容器以及光催化领域的应用前景较为广阔。

2 氧化亚铜在光催化领域中的应用

从目前的研究成果来看，最适合作为光催化剂的半导体应该是TiO2，但是由于TiO2的带隙过宽，约达到3.2eV，所以导致TiO2对光的捕获效率非常低。相比之下，氧化亚铜的带隙就比较窄，约为2.1eV左右，并且氧化亚铜的制备方法简单，成本较低，并且没有毒性，所以在光催化领域中的由于前景十分广阔。在太阳能电池发电的过程中，光催化效率还要受其他很多中因素的影响，比如光源強度、催化时间、污染物的浓度、光催化剂的剂量等，所以具体的光催化效率还要根据具体的条件来进行测定。虽然氧化亚铜作为光催化剂具有很多种优点，但是很多文献报道的光催化率都远低于理想的光催化率[2]，这可能是因为太阳光的稳定性较差，在实际的发电过程中，很容易出现“光腐蚀”现象（光生电子和空穴是氧化亚铜还原或者氧化的现象），氧化亚铜在使用一段时间后，很可能由于受到“光腐蚀”，使氧化亚铜的催化活性大大降低，导致氧化亚铜表面的形貌发生极大的改变，而且会使氧化亚铜的光催化效果越来越弱。

氧化亚铜作为光催化剂具有很高的比表面积，所以它的催化效率比较高，但是在实际的应用中存在着难以进行回收重复利用的缺点，所以人们在选择光催化及时都会选择薄膜材料。由于受到“光腐蚀”作用的影响，氧化亚铜薄膜在使用过程中也会出现外貌形态改变的现象。有研究发现，在紫外光的辐射下进行循环极化操作会使氧化亚铜薄膜的外貌形态发生很大的变化，氧化亚铜薄膜原为紧密排列的三角晶粒结构，但是在紫外光的辐射下会慢慢变成比之前更加稳定的“长叶状”网络结构。氧化亚铜薄膜的初始晶粒为金字塔形，暴露在外面的主要是高能量晶面，随着氧化亚铜薄膜受光照时间的增加，氧化亚铜薄膜表面原子的扩散会使薄膜表面逐渐转变为“长叶状”结构，在实际的使用过程中，“光腐蚀”现象虽然会造成氧化亚铜薄膜表面形貌的变化，却不会对氧化亚铜薄膜的晶体结构和组分造成改变。氧化亚铜薄膜在紫外光或者可见光的照射下会产生大量的电子和空穴，并且在短时间内不会分离开，所以很多时候都会产生彼此复合，使电子和空穴损失掉。要想使氧化亚铜的光催化效率获得较大的提升，必须让电子和空穴在短时间内发生分离，防止电子与空穴复合产生损失，所以人们开始尝试把Cu2O和ZnO、TiO2等进行组合，这样就能够得到异质结复合材料，这些材料之间存在着较大的导带和价带能级差，能够把电子与空穴有效分离开来。有研究表明，复合薄膜相对于单层薄膜来说，产生H2O2的速率更高。从目前来看，由于氧化亚铜薄膜比较方便进行回收利用，经济效益较高，所以氧化亚铜薄膜在太阳能电池中的应用越来越广泛，但是薄膜型光催化剂的转化率还比较低，要想进行大范围的推广和使用还需要进一步的研究。

3 结语

氧化亚铜薄膜的制备非常简单，制备成本也比较低，结构比较特殊，所以在太阳能电池以及光催化中的应用前景较好，但是存在着光转化率低的情况，要想提高氧化亚铜在太阳能电池以及光催化中的应用效率，还需要进行进一步的研究。

参考文献：

[1]王蓉.氧化亚铜的制备方法及其在光电转换与光催化方面的应用研究[J].化工管理，2017（21）：163-135.

[2]汪鑫.黑色TiO2在染料敏化太阳能电池中的应用[J].神州，2017

（16）：192.

作者简介：张良（1984-），女，山东枣庄人，硕士，讲师，研究方向：物理化学。