一种Cu2Se光电材料的制备和用途的制作方法

本发明属于材料科学领域，涉及一种高效的光电材料的制备及其用途。

背景技术：

光生伏特效应，顾名思义，就是能将光能转化成电能的现象。光伏材料就是利用光伏效应自动将光能转化为电能的一种材料。有很多种类的材料都具有光伏效应，包括硅系光伏材料，如单晶硅、多晶硅、非晶硅等；化合物半导体材料，如砷化镓等。他们将光能转变为电能的原理基本一致，都是基于p-n结的光伏效应：将p型半导体与n型半导体通过一定的方式组合到一起，这样就形成了一个p-n结。p-n结中的多数载流子将发生扩散，使得一个空间电荷区在p-n结内产生，并构成一个由n型半导体指向p型半导体的不断增强的内建电场，导致多数载流子反向漂移，达到平衡后，漂移产生的电流和扩散产生的电流相等。这时，如果一束光能大于p-n结禁带宽度的光照射在p-n结上，那么在这个p-n结处将出现一对电子一空穴对。因为内建电场的存在，产生的非平衡电子载流子将向空间电荷区两端飘逸，原来的平衡状态被打破，电动势也就由此产生。这时，如果在电池两侧安装电极并将负载接于其上，产生的光生电流将通过负载，即可以得到方便使用的电流。

Cu₂Se是一种p型半导体，因其具有良好的光电、电光转化等性质，被广泛应用于太阳能电池、光学滤波元件、快离子导体等方面。Cu₂Se其间接带隙可以达到2.1eV，已经非常接近于太阳能电池应用的光谱范围。不同的研究小组使用不同的控制手段和合成方法合成出了多种形貌的纳米尺寸的Cu₂Se晶体，如水热/溶剂热法、电化学腐蚀法、高温固相反应法、化学浴法和微波化学法等。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种Cu₂Se光电材料的制备方法和用途，该材料对光照有较灵敏的反应，能用作光电转换材料。

为了达到上述目的，本发明提供了一种Cu₂Se光电材料的制备方法，其特征在于，包括：将含有铜源和硒源的混合溶液在170℃-180℃下反应一段时间，冷却，分离所得沉淀，洗涤，干燥，得到Cu₂Se光电材料；其中，所述的硒源为Na₂SeO₃。

优选地，所述的含有铜源和硒源的混合溶液的制备方法包括：将0.25-0.3mol/L的CuSO₄溶液与0.25-0.3mol/L硼氢化钠按照体积比为1∶1-1.1混合，搅拌，逐滴加入NaOH溶液将pH值调节为12-13，加入0.13-0.15mol/L Na₂SeO₃溶液，所述的CuSO₄溶液中含有的CuSO₄和Na₂SeO₃溶液中含有的Na₂SeO₃的摩尔比为1∶0.5-0.6，搅拌，得到含有铜源和硒源的混合溶液。

更优选地，所述的CuSO₄溶液的制备方法包括：将CuSO₄·5H₂O溶于去离子水中，得到CuSO₄溶液。

更优选地，所述的Na₂SeO₃溶液的制备方法包括：把Se粉加到0.3-0.35mol/L NaOH溶液中，Se粉和NaOH溶液的重量比为1∶80-85，在常温下反应1.5-2h，离心去除未反应的Se粉，得到Na₂SeO₃溶液。

优选地，所述的反应温度为180℃。

优选地，所述的反应时间为12-13h。

优选地，所述的反应在电热干燥箱中进行，所述的含有铜源和硒源的混合溶液置于高压反应釜中。

优选地，所述的Cu₂Se光电材料具有堆叠的片状结构。

本发明还提供了上述制备方法所制备的Cu₂Se光电材料作为太阳能电池板的光电转换材料的用途。

本发明使用Cu²⁺-NaBH₄配合物和Na₂SeO₃作为反应前驱体，通过水热法合成出了片状堆叠结构的Cu₂Se纳米片，并研究了合成过程的最优条件。

本发明中首次阐述，当反应温度低于170℃时，产品的结构为分散的六方结构，当反应温度高于170℃时，产品的结构为堆叠的片状结构。

本发明中选用Na₂SeO₃作为硒源是合成板状堆叠Cu₂Se过程的关键。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明合成的Cu₂Se光电材料对光照有较灵敏的反应，能用作光电转换材料。

附图说明

图1是Cu₂Se光电材料的紫外透射光谱的研究结果((αhv)²对hv图)。

图2是Cu₂Se光电材料X射线粉末衍射图谱。

图3a是实施例1得到的Cu₂Se的SEM图片一。

图3b是实施例1得到的Cu₂Se的SEM图片二。

图4为对比例1中得到的Cu₂Se的SEM图片。

图5为对比例2中得到的Cu₂Se的SEM图片。

图6a：晶体在光照和黑暗下：开路电位vs时间图。

图6b：安培电流vs时间图。

图7为对比例3中得到的Cu₂Se的SEM图片。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种Cu₂Se光电材料的制备方法，具体步骤为：

(1)制备CuSO₄溶液：首先将CuSO₄·5H₂O溶于去离子水中制成0.3mol/L的CuSO₄溶液。

(2)制备Na₂SeO₃水溶液：把Se粉加到0.3mol/L NaOH溶液中，Se粉和NaOH溶液的重量比为1∶83，常温下反应1.5h，离心去除未反应的Se粉，得到0.15mol/L Na₂SeO₃溶液。

(3)将0.3mol/L的CuSO₄溶液15mL与0.3mol/L硼氢化钠15mL混合，搅拌1h，逐滴加入0.5mol/L NaOH溶液将pH值调节为12，加入0.15mol/L Na₂SeO₃溶液15mL，搅拌30min，得到含有铜源和硒源的混合溶液。

(4)将含有铜源和硒源的混合溶液倒入高压反应釜中，置于电热干燥箱中，加热到180℃下反应12h，自然冷却到室温，过滤分离所得沉淀，将得到的沉淀用去离子水洗涤5次，60℃干燥3h，得到具有堆叠的片状结构Cu₂Se光电材料，如图3a和3b所示。

图1是Cu₂Se光电材料的紫外透射光谱的研究结果((αhv)²对hv图)，说明Cu₂Se有很好的光催化性能，能很好的做光电材料。

图2是Cu₂Se光电材料X射线粉末衍射图谱，说明实验得出的晶体中大部分为Cu₂Se晶体。

通过开路电位-时间(OCP-t)实验对Cu₂Se薄膜的在光照和黑暗下的光电性质进行了研究结果如图6a和图6b。

实施例2

一种Cu₂Se光电材料的制备方法，具体步骤为：

(1)制备CuSO₄溶液：首先将CuSO₄·5H₂O溶于去离子水中制成0.3mol/L的CuSO₄溶液。

(2)制备Na₂SeO₃水溶液：把Se粉加到0.3mol/L NaOH溶液中，Se粉和NaOH溶液的重量比为1∶83，常温下反应1.5h，离心去除未反应的Se粉，得到0.15mol/L Na₂SeO₃溶液。

(3)将0.3mol/L的CuSO₄溶液15mL与0.3mol/L硼氢化钠15mL混合，搅拌1h，逐滴加入0.5mol/L NaOH溶液将pH值调节为12，加入0.15mol/L Na₂SeO₃溶液15mL，搅拌30min，得到含有铜源和硒源的混合溶液。

(4)将含有铜源和硒源的混合溶液倒入高压反应釜中，置于电热干燥箱中，加热到170℃下反应12h，自然冷却到室温，过滤分离所得沉淀，将得到的沉淀用去离子水洗涤5次，60℃干燥3h，得到具有堆叠的片状结构Cu₂Se光电材料。

对比例1

类似于实施例1，区别在于，所述的步骤(4)中的反应温度为160℃，其余条件不变，所得的Cu₂Se光电材料的SEM图片如图4所示。

对比例2

类似于实施例1，区别在于，所述的步骤(4)中的反应温度为165℃，其余条件不变，所得的Cu₂Se光电材料的SEM图片如图5所示。

对比例3

类似于实施例1，区别在于选用硒源(Na2SeSO3)，其它条件不变，所得的Cu₂Se光电材料的SEM图片如图7所示，证明选用Na₂SeO₃作为硒源是合成板状堆叠Cu₂Se过程的关键。