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

王蓉（成都信息工程大学银杏酒店管理学院，四川成都611743）

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

王蓉（成都信息工程大学银杏酒店管理学院，四川成都611743）

氧化亚铜是一种典型的P型半导体，具有优异的光电转换与光催化性能，其制备方法多种多样，在P-N结太阳能电池以及光催化降解污染物方面有着重要的应用。

氧化亚铜（Cu2O）;光电转换;光催化

氧化亚铜，分子式为Cu2O，英文Cuprous Oxide，Cu2O的研究热潮最早可追溯到1920年由Grondhal等成功发明的Cu2O整流器，由此人们开始注意到Cu2O作为半导体所具有的优异的光催化以及光电性能，至今由于Cu2O制备方法多样、原材料来源丰富、性能优异、应用广泛等各个有点，其仍然是研究热潮之一。

1 氧化亚铜的制备方法

目前制备氧化亚铜薄膜的方法非常多，主要有磁控溅射法，气相沉积法，热氧化法，溶液凝胶法和电化学沉积法。

1.1 磁控溅射法

属于辉光放电范畴的磁控溅射法，主要利用阴极溅射原理在基片上沉积薄膜，即稀薄砌体在异常辉光放电中产生的等离子体在电场的作用下，通过轰击阴极靶材表面，从而得到溅射出来的粒子，这些粒子在最初的动能作用下，沿固定方向运动，最终沉积在基体表面，形成薄膜镀层。

磁控溅射法又分为直流溅射与射频溅射两种，直流溅射法是指在阳极与阴极，即基底和靶材之间加一个直流电压，由于此种方法中氩离子可以在电场作用下得到更高能量从而对靶材进行更有力的轰击，所以溅射效率高，速率快，所得Cu2O薄膜结晶度好，膜层致密。

1.2 热氧化法

热氧化法是利用Cu在一定温度下被氧化成为Cu2O的基本化学性质，将Cu片或沉积有Cu的基片放置在空气中或氧气环境中，加热到1050℃，生成Cu2O。热氧化法制备起来简单，但需要严格控制温度的情况下才可以得到纯度较高的Cu2O，温度对生成的Cu2O纯度以及形貌有非常重要的影响。

1.3 气相沉积法

气相沉积法（CVD）是一种将基底置于在不同的气体气氛中，在基底表面发生气相外延从而形成薄膜材料的薄膜材料制备方法。这种方法可以制得纯度高、结晶度好、晶粒尺寸小、分散性好的薄膜，同时成本也较低，所以这是一种常用薄膜制备方法。其中金属有机化合物气象沉积法(MOCVD)是利用金属盐在加热的基底上进行薄膜气象外延生长的一种薄膜制备方法，与前者对比，MOCVD具有可以精确控制薄膜的厚度、组分和界面的优点，但是MOCVD生产设备昂贵，制备过程中参数需要严格控制，所以在工业中批量化大面积生产薄膜较为可行。

1.4 溶液凝胶法

溶液凝胶法指的是利用前驱体在液相中进行水解、缩合反应，由此得到稳定的溶胶体系，由溶胶体系经过陈化生成凝胶，最后通过干燥、烧结制备得到薄膜材料，一般选择含高化学活性的化合物作为前驱体材料。溶液凝胶法具有成本低、工艺简单易操作等优点，同时也存在制备的粉末材料容易掺杂杂质物质，并且最终所得粉末材料结晶度不高的缺点。

1.5 电化学沉积法

电沉积制备薄膜材料的方法是利用电化学原理，在阴极与阳极上发生一系列氧化还原的方法。电化学沉积法中通过使用的电极体系由工作电极、参比电极和对电极三电极体系，参比电极一般为Ag/AgCl电级，对电极可以选用铂电极或者铂片，工作电极可使用导电玻璃如ITO、FTO等。电化学沉积方法设备简单，通过控制实验过程中的电流、电压、溶液温度、等参数，可以得到不同形貌的Cu2O薄膜，并且电沉积法沉积速度快，效率高，所得薄膜均匀致密、纯度高、结晶度好，因此，电化学沉积法也是目前最为常用的一种薄膜制备方法。

2 氧化亚铜的性能以及应用情况

2.1 Cu2O的光电转换特性及其应用研究现状

Cu2O是一种典型的P型半导体，禁带宽度为2.17eV，在受到可见光(波长为563nm)照射和激发后（可见光波长范围为390-780nm），能够产生较多的电子-空穴转换对，具有优异光电转换性能，其理论最高转换效率可达到18%，因此Cu2O作为一种异质结太阳能电池中的结材料，但由于Cu2O的n型掺杂较为困难，所以目前转换率偏低。

2.2 Cu2O的光催化性能及其应用研究现状

Cu2O不仅适合用于制备异质结，也适合于被应用于光催化方面。Cu2O在受到光照射下，产生大量的电子-空穴对，其中价带空穴可以氧化吸附物，而导带电子可以还原吸附物，由此，在通常的水和空气体系中，在光的照射下，Cu2O可以将表面吸附的H2O通过空穴与电子的氧化还原反应，得到H+和OH-活性产物，通过这一作用，从而实现对污水进行催化降解。经研究证实，Cu2O受光激发后，产生的空穴多余电子，所以其在光催化降解过程中的氧化作用比还原作用更为出色。但由于Cu2O受到可见光照射后，量子效率不高，所以导致于Cu2O光催化降解活性有待改善和提高。

2.3 Cu2O其他特性及应用

无机化工方面：由于可以对海水中的毒料和部分基料进行降解，所以Cu2O在工业上被大量应用于船舶的防污涂料中。

热催化分解方面：当Cu2O被制备成纳米级数时，可以明显的催化高氯酸铵和三次甲基三硝基胺的热分解反应，故而在火箭推进剂中广泛使用。

综上所述，关于Cu2O的研究已经做了非常多，在当前环境污染与破坏、能源紧缺的大环境下，由于其表现出的优异的光电性能和光催化性能，以及目前发明的多种制备方法都将为Cu2O成为制备清洁能源（太阳能与氢能）的储备材料提供了可能，所以对于改变以及改善制备方法，提高制备后所得到的Cu2O晶体质量，从而提高Cu2O的光电转换效率以及提高Cu2O光电催化率仍然将成为全球范围内的研究热点之一。

[1]范广，张引莉，孙加娟，氧化铜与氧化亚铜稳定性的热力学讨论，广州化工，2012,40（10）：162-163.