太陽(yáng)能電池、光催化中的氧化亞銅應(yīng)用

張良+田莊

摘 要：本文主要研究了氧化亞銅在太陽(yáng)能電池以及光催化中的應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，氧化亞銅作為一種優(yōu)秀的半導(dǎo)體光電功能材料，在太陽(yáng)能電池以及光催化中的應(yīng)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(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用，還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究與完善。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；光催化；氧化亞銅；應(yīng)用

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

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)人民的生活水平得到了巨大的提升，我國(guó)人民對(duì)于環(huán)境污染和生態(tài)破壞的問(wèn)題也越來(lái)越重視，傳統(tǒng)的煤炭發(fā)電由于對(duì)環(huán)境的污染較大，逐漸被社會(huì)所淘汰，取而代之的是風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能等新型能源的廣泛應(yīng)用，其中太陽(yáng)能是一項(xiàng)非常重要的能源類型，取之不盡、用之不竭，并且不會(huì)產(chǎn)生任何的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，太能能電池的使用越來(lái)越受到我國(guó)的重視。要想把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能需要使用相應(yīng)的催化劑，氧化亞銅作為一種優(yōu)良的光催化劑在太陽(yáng)能發(fā)電中得到了比較廣泛的應(yīng)用，為了分析氧化亞銅在太陽(yáng)能和光催化中的應(yīng)用，我們特地進(jìn)行了此次研究。

1 氧化亞銅在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

氧化亞銅是一種天然的p型半導(dǎo)體材料，在氧化亞銅內(nèi)部存在著大量的VCu，這也是氧化亞銅能夠進(jìn)行p型導(dǎo)電的主要原因。為了降低電阻率，人們通過(guò)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(xiàn)象，導(dǎo)致人們制造出的同質(zhì)pn結(jié)太能能電池發(fā)電效率非常低。為了增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的光轉(zhuǎn)換效率，相關(guān)領(lǐng)域的研究者又使用Ca摻雜ZnO、Sn摻雜In2O3薄膜作為太陽(yáng)能電池的n型層。在進(jìn)行太陽(yáng)能電池研究與制作的過(guò)程中，加強(qiáng)氧化亞銅薄膜的質(zhì)量是提高太陽(yáng)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(qiáng)載流子的遷移率等都能夠起到提升氧化亞銅薄膜質(zhì)量的作用。為幾種氧化亞銅pn結(jié)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率[1]。

太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率除了受p型和Cu2O層的影響較大之外，還對(duì)n型導(dǎo)電層具有很強(qiáng)的依賴性，在進(jìn)行太陽(yáng)能電池制作時(shí)，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(duì)于載流子的運(yùn)輸能夠起到很大的促進(jìn)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(dǎo)電薄膜層，越來(lái)越多的被應(yīng)用到太陽(yáng)能電池之中。通過(guò)電化學(xué)沉積法得到的氧化亞銅納米柱異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化率能夠達(dá)到0.89%。使用陽(yáng)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(zhì)pn結(jié)電池原型器件，這種全固態(tài)的太能能電池轉(zhuǎn)換效率并不是很高，轉(zhuǎn)化率大概在0.01%左右，但是這種太陽(yáng)能電池的制作成本比較低，原材料豐富，能夠進(jìn)行規(guī)?；纳a(chǎn)，所以在光伏太陽(yáng)能發(fā)電站、超級(jí)電容器以及光催化領(lǐng)域的應(yīng)用前景較為廣闊。

2 氧化亞銅在光催化領(lǐng)域中的應(yīng)用

從目前的研究成果來(lái)看，最適合作為光催化劑的半導(dǎo)體應(yīng)該是TiO2，但是由于TiO2的帶隙過(guò)寬，約達(dá)到3.2eV，所以導(dǎo)致TiO2對(duì)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(jiǎn)單，成本較低，并且沒(méi)有毒性，所以在光催化領(lǐng)域中的由于前景十分廣闊。在太陽(yáng)能電池發(fā)電的過(guò)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(qiáng)度、催化時(shí)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(jù)具體的條件來(lái)進(jìn)行測(cè)定。雖然氧化亞銅作為光催化劑具有很多種優(yōu)點(diǎn)，但是很多文獻(xiàn)報(bào)道的光催化率都遠(yuǎn)低于理想的光催化率[2]，這可能是因?yàn)樘?yáng)光的穩(wěn)定性較差，在實(shí)際的發(fā)電過(guò)程中，很容易出現(xiàn)“光腐蝕”現(xiàn)象（光生電子和空穴是氧化亞銅還原或者氧化的現(xiàn)象），氧化亞銅在使用一段時(shí)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(dǎo)致氧化亞銅表面的形貌發(fā)生極大的改變，而且會(huì)使氧化亞銅的光催化效果越來(lái)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(shí)際的應(yīng)用中存在著難以進(jìn)行回收重復(fù)利用的缺點(diǎn)，所以人們?cè)谶x擇光催化及時(shí)都會(huì)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(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)外貌形態(tài)改變的現(xiàn)象。有研究發(fā)現(xiàn)，在紫外光的輻射下進(jìn)行循環(huán)極化操作會(huì)使氧化亞銅薄膜的外貌形態(tài)發(fā)生很大的變化，氧化亞銅薄膜原為緊密排列的三角晶粒結(jié)構(gòu)，但是在紫外光的輻射下會(huì)慢慢變成比之前更加穩(wěn)定的“長(zhǎng)葉狀”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。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(shí)間的增加，氧化亞銅薄膜表面原子的擴(kuò)散會(huì)使薄膜表面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴L(zhǎng)葉狀”結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的使用過(guò)程中，“光腐蝕”現(xiàn)象雖然會(huì)造成氧化亞銅薄膜表面形貌的變化，卻不會(huì)對(duì)氧化亞銅薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和組分造成改變。氧化亞銅薄膜在紫外光或者可見(jiàn)光的照射下會(huì)產(chǎn)生大量的電子和空穴，并且在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)分離開(kāi)，所以很多時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生彼此復(fù)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(shí)間內(nèi)發(fā)生分離，防止電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生損失，所以人們開(kāi)始嘗試把Cu2O和ZnO、TiO2等進(jìn)行組合，這樣就能夠得到異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料，這些材料之間存在著較大的導(dǎo)帶和價(jià)帶能級(jí)差，能夠把電子與空穴有效分離開(kāi)來(lái)。有研究表明，復(fù)合薄膜相對(duì)于單層薄膜來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生H2O2的速率更高。從目前來(lái)看，由于氧化亞銅薄膜比較方便進(jìn)行回收利用，經(jīng)濟(jì)效益較高，所以氧化亞銅薄膜在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是薄膜型光催化劑的轉(zhuǎn)化率還比較低，要想進(jìn)行大范圍的推廣和使用還需要進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)語(yǔ)

氧化亞銅薄膜的制備非常簡(jiǎn)單，制備成本也比較低，結(jié)構(gòu)比較特殊，所以在太陽(yáng)能電池以及光催化中的應(yīng)用前景較好，但是存在著光轉(zhuǎn)化率低的情況，要想提高氧化亞銅在太陽(yáng)能電池以及光催化中的應(yīng)用效率，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]王蓉.氧化亞銅的制備方法及其在光電轉(zhuǎn)換與光催化方面的應(yīng)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(yáng)能電池中的應(yīng)用[J].神州，2017

（16）：192.

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