光電催化分解水Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體光電極薄膜保護策略
發(fā)布時間：2022-01-02 17:39
�、�-Ⅴ族半導(dǎo)體材料（如GaAs、InP、GaP等）具有抗輻射性能高、溫度特性好、耐高溫等特點。相比于其他材料構(gòu)建的光電催化體系,由這類半導(dǎo)體構(gòu)成的光電極具有更高的太陽能吸收效率和光電轉(zhuǎn)換效率。然而,大多數(shù)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體在水溶液電解質(zhì)中的物理化學(xué)性質(zhì)很不穩(wěn)定,導(dǎo)致太陽能驅(qū)動分解水性能衰減較快�；诖�,本文綜述了薄膜保護層在改善Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體光電極電化學(xué)穩(wěn)定性方面的主要成就和研究現(xiàn)狀,分析總結(jié)了獲得穩(wěn)定高效的光電反應(yīng)界面和分解水效率的策略,探討了導(dǎo)致材料衰減的原因和相應(yīng)改善措施,最后展望了薄膜保護策略的未來發(fā)展前景。
【文章來源】：化學(xué)進展. 2020,32(09)北大核心SCICSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
(a)和(b)對應(yīng)穩(wěn)定和不穩(wěn)定半導(dǎo)體電極的能帶排列,其中nEdecomp表示陰極分解電位,pEdecomp表示陽極分解電位[17]
圖4 (a) 致密TiO2薄膜包裹的InP納米陣列的SEM圖片;(b) TiO2/InP光電性能測試J-E曲線[34]圖6 (a)保護層厚度為16 nm的SrTiO3/np-GaAs(001)光陰極示意圖;(b)保護層SrTiO3與同質(zhì)結(jié)np-GaAs(001)界面的高角度環(huán)狀暗場圖像;(c) 對應(yīng)的H2O/SrTiO3和SrTiO3/GaAs(001)界面的能量;(d) SrTiO3/n-GaAs(001)界面XPS的價帶位置[39]
在能源短缺的大背景下,清潔能源的轉(zhuǎn)換、存儲和利用成為了近幾十年來光電領(lǐng)域的研究熱點。自1972年 Fujishima和 Honda在紫外光照射下以n-TiO2作為光陽極、Pt作為陰極實現(xiàn)了光電催化水分解以來[1],光(電)催化因其可直接利用太陽能在室溫下驅(qū)動水分解反應(yīng)的優(yōu)勢,成為了理想而獨特的氫能源生產(chǎn)技術(shù)之一[1～8]。而實現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵就是開發(fā)高效、穩(wěn)定且低成本的半導(dǎo)體光電極材料及其相關(guān)器件。圖1給出了三種可用于太陽能分解水光電極的能帶結(jié)構(gòu),可大致分為單光子、雙光子和多光子三種類型[9],它們分別對應(yīng)單結(jié)、雙結(jié)和多結(jié)光電極。常見的單結(jié)半導(dǎo)體光電極往往不能滿足光電化學(xué)分解水所需的嚴格帶邊緣位置和熱力學(xué)過電位要求,因此很難實現(xiàn)可見光驅(qū)動的無偏壓水分解。因此,人們更關(guān)注的是雙結(jié)或多結(jié)構(gòu)型光電極,希望它們可以實現(xiàn)高效的太陽能水分解。理論研究表明,在AM 1.5 G模擬太陽光照下,由1.70 eV頂結(jié)和1.05 eV底結(jié)組成的雙結(jié)光電極能量轉(zhuǎn)換效率可以達到27%。在可備選的材料中,Si的帶隙很窄(1.1 eV)、制造工藝成熟,因而可以作為優(yōu)異的底部吸光材料,但要找到一種在光電化學(xué)反應(yīng)中穩(wěn)定且能與硅單晶結(jié)合且實用的頂結(jié)吸收材料一直是一個極具挑戰(zhàn)性的問題。Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體(如GaAs、InP、GaP等)被認為是第二代半導(dǎo)體材料,它們具有優(yōu)異的光電性能,已經(jīng)在光伏、光通信以及新能源等眾多領(lǐng)域中獲得了一些重要的應(yīng)用[10～14],而且與Si有比較好的適配性。以典型的GaAs材料為例,其晶體結(jié)構(gòu)為立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)(如圖2所示),直接帶隙禁帶寬度為1.42 eV[10]。與傳統(tǒng)的Si材料相比,GaAs具有許多優(yōu)異的電學(xué)性能,如電子遷移率高、電荷的飽和漂移速度快、介電常數(shù)小、耐高溫和半絕緣性能好[11],因此,GaAs被廣泛地應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二級管激光器、薄膜太陽能電池以及太陽能分解水光電極的制備[12～14]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]光催化全分解水制氫中助催化劑表面氫氧復(fù)合反應(yīng)的抑制[J]. 王蒙,馬建泰,呂功煊. 分子催化. 2019(05)
[2]全固態(tài)Z-Scheme光催化材料應(yīng)用于二氧化碳還原和光催化分解水研究進展[J]. 時曉羽,李會鵬,趙華. 分子催化. 2019(04)
[3]g-C3N4和Ni2P的復(fù)合及其光催化產(chǎn)氫性能研究[J]. 趙云霏,毋瑞仙,蔣平平,董玉明. 分子催化. 2018(02)
本文編號：3564600
【文章來源】：化學(xué)進展. 2020,32(09)北大核心SCICSCD
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
(a)和(b)對應(yīng)穩(wěn)定和不穩(wěn)定半導(dǎo)體電極的能帶排列,其中nEdecomp表示陰極分解電位,pEdecomp表示陽極分解電位[17]
圖4 (a) 致密TiO2薄膜包裹的InP納米陣列的SEM圖片;(b) TiO2/InP光電性能測試J-E曲線[34]圖6 (a)保護層厚度為16 nm的SrTiO3/np-GaAs(001)光陰極示意圖;(b)保護層SrTiO3與同質(zhì)結(jié)np-GaAs(001)界面的高角度環(huán)狀暗場圖像;(c) 對應(yīng)的H2O/SrTiO3和SrTiO3/GaAs(001)界面的能量;(d) SrTiO3/n-GaAs(001)界面XPS的價帶位置[39]
在能源短缺的大背景下,清潔能源的轉(zhuǎn)換、存儲和利用成為了近幾十年來光電領(lǐng)域的研究熱點。自1972年 Fujishima和 Honda在紫外光照射下以n-TiO2作為光陽極、Pt作為陰極實現(xiàn)了光電催化水分解以來[1],光(電)催化因其可直接利用太陽能在室溫下驅(qū)動水分解反應(yīng)的優(yōu)勢,成為了理想而獨特的氫能源生產(chǎn)技術(shù)之一[1～8]。而實現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵就是開發(fā)高效、穩(wěn)定且低成本的半導(dǎo)體光電極材料及其相關(guān)器件。圖1給出了三種可用于太陽能分解水光電極的能帶結(jié)構(gòu),可大致分為單光子、雙光子和多光子三種類型[9],它們分別對應(yīng)單結(jié)、雙結(jié)和多結(jié)光電極。常見的單結(jié)半導(dǎo)體光電極往往不能滿足光電化學(xué)分解水所需的嚴格帶邊緣位置和熱力學(xué)過電位要求,因此很難實現(xiàn)可見光驅(qū)動的無偏壓水分解。因此,人們更關(guān)注的是雙結(jié)或多結(jié)構(gòu)型光電極,希望它們可以實現(xiàn)高效的太陽能水分解。理論研究表明,在AM 1.5 G模擬太陽光照下,由1.70 eV頂結(jié)和1.05 eV底結(jié)組成的雙結(jié)光電極能量轉(zhuǎn)換效率可以達到27%。在可備選的材料中,Si的帶隙很窄(1.1 eV)、制造工藝成熟,因而可以作為優(yōu)異的底部吸光材料,但要找到一種在光電化學(xué)反應(yīng)中穩(wěn)定且能與硅單晶結(jié)合且實用的頂結(jié)吸收材料一直是一個極具挑戰(zhàn)性的問題。Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體(如GaAs、InP、GaP等)被認為是第二代半導(dǎo)體材料,它們具有優(yōu)異的光電性能,已經(jīng)在光伏、光通信以及新能源等眾多領(lǐng)域中獲得了一些重要的應(yīng)用[10～14],而且與Si有比較好的適配性。以典型的GaAs材料為例,其晶體結(jié)構(gòu)為立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)(如圖2所示),直接帶隙禁帶寬度為1.42 eV[10]。與傳統(tǒng)的Si材料相比,GaAs具有許多優(yōu)異的電學(xué)性能,如電子遷移率高、電荷的飽和漂移速度快、介電常數(shù)小、耐高溫和半絕緣性能好[11],因此,GaAs被廣泛地應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二級管激光器、薄膜太陽能電池以及太陽能分解水光電極的制備[12～14]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]光催化全分解水制氫中助催化劑表面氫氧復(fù)合反應(yīng)的抑制[J]. 王蒙,馬建泰,呂功煊. 分子催化. 2019(05)
[2]全固態(tài)Z-Scheme光催化材料應(yīng)用于二氧化碳還原和光催化分解水研究進展[J]. 時曉羽,李會鵬,趙華. 分子催化. 2019(04)
[3]g-C3N4和Ni2P的復(fù)合及其光催化產(chǎn)氫性能研究[J]. 趙云霏,毋瑞仙,蔣平平,董玉明. 分子催化. 2018(02)
本文編號：3564600
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