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

王蓉（成都信息工程大學銀杏酒店管理學院，四川成都611743）

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

王蓉（成都信息工程大學銀杏酒店管理學院，四川成都611743）

氧化亞銅是一種典型的P型半導體，具有優異的光電轉換與光催化性能，其制備方法多種多樣，在P-N結太陽能電池以及光催化降解污染物方面有著重要的應用。

氧化亞銅（Cu2O）;光電轉換;光催化

氧化亞銅，分子式為Cu2O，英文Cuprous Oxide，Cu2O的研究熱潮最早可追溯到1920年由Grondhal等成功發明的Cu2O整流器，由此人們開始注意到Cu2O作為半導體所具有的優異的光催化以及光電性能，至今由于Cu2O制備方法多樣、原材料來源豐富、性能優異、應用廣泛等各個有點，其仍然是研究熱潮之一。

1 氧化亞銅的制備方法

目前制備氧化亞銅薄膜的方法非常多，主要有磁控濺射法，氣相沉積法，熱氧化法，溶液凝膠法和電化學沉積法。

1.1 磁控濺射法

屬于輝光放電范疇的磁控濺射法，主要利用陰極濺射原理在基片上沉積薄膜，即稀薄砌體在異常輝光放電中產生的等離子體在電場的作用下，通過轟擊陰極靶材表面，從而得到濺射出來的粒子，這些粒子在最初的動能作用下，沿固定方向運動，最終沉積在基體表面，形成薄膜鍍層。

磁控濺射法又分為直流濺射與射頻濺射兩種，直流濺射法是指在陽極與陰極，即基底和靶材之間加一個直流電壓，由于此種方法中氬離子可以在電場作用下得到更高能量從而對靶材進行更有力的轟擊，所以濺射效率高，速率快，所得Cu2O薄膜結晶度好，膜層致密。

1.2 熱氧化法

熱氧化法是利用Cu在一定溫度下被氧化成為Cu2O的基本化學性質，將Cu片或沉積有Cu的基片放置在空氣中或氧氣環境中，加熱到1050℃，生成Cu2O。熱氧化法制備起來簡單，但需要嚴格控制溫度的情況下才可以得到純度較高的Cu2O，溫度對生成的Cu2O純度以及形貌有非常重要的影響。

1.3 氣相沉積法

氣相沉積法（CVD）是一種將基底置于在不同的氣體氣氛中，在基底表面發生氣相外延從而形成薄膜材料的薄膜材料制備方法。這種方法可以制得純度高、結晶度好、晶粒尺寸小、分散性好的薄膜，同時成本也較低，所以這是一種常用薄膜制備方法。其中金屬有機化合物氣象沉積法(MOCVD)是利用金屬鹽在加熱的基底上進行薄膜氣象外延生長的一種薄膜制備方法，與前者對比，MOCVD具有可以精確控制薄膜的厚度、組分和界面的優點，但是MOCVD生產設備昂貴，制備過程中參數需要嚴格控制，所以在工業中批量化大面積生產薄膜較為可行。

1.4 溶液凝膠法

溶液凝膠法指的是利用前驅體在液相中進行水解、縮合反應，由此得到穩定的溶膠體系，由溶膠體系經過陳化生成凝膠，最后通過干燥、燒結制備得到薄膜材料，一般選擇含高化學活性的化合物作為前驅體材料。溶液凝膠法具有成本低、工藝簡單易操作等優點，同時也存在制備的粉末材料容易摻雜雜質物質，并且最終所得粉末材料結晶度不高的缺點。

1.5 電化學沉積法

電沉積制備薄膜材料的方法是利用電化學原理，在陰極與陽極上發生一系列氧化還原的方法。電化學沉積法中通過使用的電極體系由工作電極、參比電極和對電極三電極體系，參比電極一般為Ag/AgCl電級，對電極可以選用鉑電極或者鉑片，工作電極可使用導電玻璃如ITO、FTO等。電化學沉積方法設備簡單，通過控制實驗過程中的電流、電壓、溶液溫度、等參數，可以得到不同形貌的Cu2O薄膜，并且電沉積法沉積速度快，效率高，所得薄膜均勻致密、純度高、結晶度好，因此，電化學沉積法也是目前最為常用的一種薄膜制備方法。

2 氧化亞銅的性能以及應用情況

2.1 Cu2O的光電轉換特性及其應用研究現狀

Cu2O是一種典型的P型半導體，禁帶寬度為2.17eV，在受到可見光(波長為563nm)照射和激發后（可見光波長范圍為390-780nm），能夠產生較多的電子-空穴轉換對，具有優異光電轉換性能，其理論最高轉換效率可達到18%，因此Cu2O作為一種異質結太陽能電池中的結材料，但由于Cu2O的n型摻雜較為困難，所以目前轉換率偏低。

2.2 Cu2O的光催化性能及其應用研究現狀

Cu2O不僅適合用于制備異質結，也適合于被應用于光催化方面。Cu2O在受到光照射下，產生大量的電子-空穴對，其中價帶空穴可以氧化吸附物，而導帶電子可以還原吸附物，由此，在通常的水和空氣體系中，在光的照射下，Cu2O可以將表面吸附的H2O通過空穴與電子的氧化還原反應，得到H+和OH-活性產物，通過這一作用，從而實現對污水進行催化降解。經研究證實，Cu2O受光激發后，產生的空穴多余電子，所以其在光催化降解過程中的氧化作用比還原作用更為出色。但由于Cu2O受到可見光照射后，量子效率不高，所以導致于Cu2O光催化降解活性有待改善和提高。

2.3 Cu2O其他特性及應用

無機化工方面：由于可以對海水中的毒料和部分基料進行降解，所以Cu2O在工業上被大量應用于船舶的防污涂料中。

熱催化分解方面：當Cu2O被制備成納米級數時，可以明顯的催化高氯酸銨和三次甲基三硝基胺的熱分解反應，故而在火箭推進劑中廣泛使用。

綜上所述，關于Cu2O的研究已經做了非常多，在當前環境污染與破壞、能源緊缺的大環境下，由于其表現出的優異的光電性能和光催化性能，以及目前發明的多種制備方法都將為Cu2O成為制備清潔能源（太陽能與氫能）的儲備材料提供了可能，所以對于改變以及改善制備方法，提高制備后所得到的Cu2O晶體質量，從而提高Cu2O的光電轉換效率以及提高Cu2O光電催化率仍然將成為全球范圍內的研究熱點之一。

[1]范廣，張引莉，孫加娟，氧化銅與氧化亞銅穩定性的熱力學討論，廣州化工，2012,40（10）：162-163.