太陽能電池、光催化中的氧化亞銅應用

張良+田莊

摘 要：本文主要研究了氧化亞銅在太陽能電池以及光催化中的應用現狀和應用前景，氧化亞銅作為一種優秀的半導體光電功能材料，在太陽能電池以及光催化中的應用前景十分廣闊，但是受到各種條件的限制，目前尚不能夠進行大規模的應用，還需進行進一步的研究與完善。

關鍵詞：太陽能電池；光催化；氧化亞銅；應用

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

隨著我國社會經濟的發展，我國人民的生活水平得到了巨大的提升，我國人民對于環境污染和生態破壞的問題也越來越重視，傳統的煤炭發電由于對環境的污染較大，逐漸被社會所淘汰，取而代之的是風能、太陽能、核能等新型能源的廣泛應用，其中太陽能是一項非常重要的能源類型，取之不盡、用之不竭，并且不會產生任何的環境污染和生態破壞，太能能電池的使用越來越受到我國的重視。要想把太陽能轉換為電能需要使用相應的催化劑，氧化亞銅作為一種優良的光催化劑在太陽能發電中得到了比較廣泛的應用，為了分析氧化亞銅在太陽能和光催化中的應用，我們特地進行了此次研究。

1 氧化亞銅在太陽能電池中的應用

氧化亞銅是一種天然的p型半導體材料，在氧化亞銅內部存在著大量的VCu，這也是氧化亞銅能夠進行p型導電的主要原因。為了降低電阻率，人們通過很多中方式獲得了n型氧化亞銅薄膜，但是由于n型氧化亞銅薄膜的載流子濃度和遷移率都非常低，所以還是存在著總電阻率較高的現象，導致人們制造出的同質pn結太能能電池發電效率非常低。為了增強太陽能電池的光轉換效率，相關領域的研究者又使用Ca摻雜ZnO、Sn摻雜In2O3薄膜作為太陽能電池的n型層。在進行太陽能電池研究與制作的過程中，加強氧化亞銅薄膜的質量是提高太陽能電池性能的主要因素，提高氧化亞銅的晶粒尺寸、降低氧化亞銅薄膜的電阻，增強載流子的遷移率等都能夠起到提升氧化亞銅薄膜質量的作用。為幾種氧化亞銅pn結太陽能電池的轉換效率[1]。

太陽能電池的發電效率除了受p型和Cu2O層的影響較大之外，還對n型導電層具有很強的依賴性，在進行太陽能電池制作時，使用納米棒陣列能夠與氧化亞銅之間形成較大的接觸面積，對于載流子的運輸能夠起到很大的促進作用，所以ZnO納米棒陣列、TiO2納米管陣列逐漸取代了ZnO或者FTO導電薄膜層，越來越多的被應用到太陽能電池之中。通過電化學沉積法得到的氧化亞銅納米柱異質結太陽能電池的轉化率能夠達到0.89%。使用陽極氧化法制備出的TiO2納米管陣列，電沉積一層Cu2O薄膜后，能夠得到Cu2O/TiO2徑向異質pn結電池原型器件，這種全固態的太能能電池轉換效率并不是很高，轉化率大概在0.01%左右，但是這種太陽能電池的制作成本比較低，原材料豐富，能夠進行規模化的生產，所以在光伏太陽能發電站、超級電容器以及光催化領域的應用前景較為廣闊。

2 氧化亞銅在光催化領域中的應用

從目前的研究成果來看，最適合作為光催化劑的半導體應該是TiO2，但是由于TiO2的帶隙過寬，約達到3.2eV，所以導致TiO2對光的捕獲效率非常低。相比之下，氧化亞銅的帶隙就比較窄，約為2.1eV左右，并且氧化亞銅的制備方法簡單，成本較低，并且沒有毒性，所以在光催化領域中的由于前景十分廣闊。在太陽能電池發電的過程中，光催化效率還要受其他很多中因素的影響，比如光源強度、催化時間、污染物的濃度、光催化劑的劑量等，所以具體的光催化效率還要根據具體的條件來進行測定。雖然氧化亞銅作為光催化劑具有很多種優點，但是很多文獻報道的光催化率都遠低于理想的光催化率[2]，這可能是因為太陽光的穩定性較差，在實際的發電過程中，很容易出現“光腐蝕”現象（光生電子和空穴是氧化亞銅還原或者氧化的現象），氧化亞銅在使用一段時間后，很可能由于受到“光腐蝕”，使氧化亞銅的催化活性大大降低，導致氧化亞銅表面的形貌發生極大的改變，而且會使氧化亞銅的光催化效果越來越弱。

氧化亞銅作為光催化劑具有很高的比表面積，所以它的催化效率比較高，但是在實際的應用中存在著難以進行回收重復利用的缺點，所以人們在選擇光催化及時都會選擇薄膜材料。由于受到“光腐蝕”作用的影響，氧化亞銅薄膜在使用過程中也會出現外貌形態改變的現象。有研究發現，在紫外光的輻射下進行循環極化操作會使氧化亞銅薄膜的外貌形態發生很大的變化，氧化亞銅薄膜原為緊密排列的三角晶粒結構，但是在紫外光的輻射下會慢慢變成比之前更加穩定的“長葉狀”網絡結構。氧化亞銅薄膜的初始晶粒為金字塔形，暴露在外面的主要是高能量晶面，隨著氧化亞銅薄膜受光照時間的增加，氧化亞銅薄膜表面原子的擴散會使薄膜表面逐漸轉變為“長葉狀”結構，在實際的使用過程中，“光腐蝕”現象雖然會造成氧化亞銅薄膜表面形貌的變化，卻不會對氧化亞銅薄膜的晶體結構和組分造成改變。氧化亞銅薄膜在紫外光或者可見光的照射下會產生大量的電子和空穴，并且在短時間內不會分離開，所以很多時候都會產生彼此復合，使電子和空穴損失掉。要想使氧化亞銅的光催化效率獲得較大的提升，必須讓電子和空穴在短時間內發生分離，防止電子與空穴復合產生損失，所以人們開始嘗試把Cu2O和ZnO、TiO2等進行組合，這樣就能夠得到異質結復合材料，這些材料之間存在著較大的導帶和價帶能級差，能夠把電子與空穴有效分離開來。有研究表明，復合薄膜相對于單層薄膜來說，產生H2O2的速率更高。從目前來看，由于氧化亞銅薄膜比較方便進行回收利用，經濟效益較高，所以氧化亞銅薄膜在太陽能電池中的應用越來越廣泛，但是薄膜型光催化劑的轉化率還比較低，要想進行大范圍的推廣和使用還需要進一步的研究。

3 結語

氧化亞銅薄膜的制備非常簡單，制備成本也比較低，結構比較特殊，所以在太陽能電池以及光催化中的應用前景較好，但是存在著光轉化率低的情況，要想提高氧化亞銅在太陽能電池以及光催化中的應用效率，還需要進行進一步的研究。

參考文獻：

[1]王蓉.氧化亞銅的制備方法及其在光電轉換與光催化方面的應用研究[J].化工管理，2017（21）：163-135.

[2]汪鑫.黑色TiO2在染料敏化太陽能電池中的應用[J].神州，2017

（16）：192.

作者簡介：張良（1984-），女，山東棗莊人，碩士，講師，研究方向：物理化學。