光電化學(xué)水分解可一步實(shí)現(xiàn)太陽能至氫能的轉(zhuǎn)化,是理想的太陽能轉(zhuǎn)換存儲途徑。光電化學(xué)水分解電池由陽極、陰極、外電路及電解液組成,其中,陽極或陰極或二者同時由具有吸收太陽光、驅(qū)動水分解反應(yīng)能力的半導(dǎo)體材料組成。光電化學(xué)水分解電池的基本工作原理為:（1）半導(dǎo)體光電極吸收能量不小于其禁帶寬度的光子,產(chǎn)生電子-空穴對;（2）電子-空穴對在半導(dǎo)體空間電荷層內(nèi)建電場作用下分離,電子遷移至陰極-電解液界面,空穴遷移至陽極-電解液界面;（3）電子、空穴分別參與水還原反應(yīng)與水氧化反應(yīng)。由此可知,光電化學(xué)水分解電池的轉(zhuǎn)換效率受制于光電極的光吸收效率、光生電荷分離效率與表面電荷注入效率。Ta3N5的帶隙為2.1 eV,吸收帶邊位于590 nm,具有15.9%的理論太陽能轉(zhuǎn)換效率,是理想的光陽極材料。然而,目前Ta3N5光陽極的水分解性能受限于其載流子有效質(zhì)量大（其電子/空穴在kx、ky、kz方向—即a、b、c軸方向—有效質(zhì)量分別為2.70 m0/3.56m0、0.211 m0/0.66 m0、0.85 m0/0.26 m0）、壽命短（<10 ps）、遷移率低（1.3-4.4cm2V-1 S-1）。針對Ta... 

【文章來源】：南京大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１－２以ｎ型光陽極為主體的（ａ）ＰＶ－ＰＥＣ雙光子水分解系統(tǒng)；（ｂ）ｐ－ｎ雙光子水分解系統(tǒng)??的工作原理示意圖

研究半導(dǎo)體－電解液界面的電荷傳輸性質(zhì)。其中，半導(dǎo)體與電解液的界面在Ｘ＝０??點(diǎn)，ｘ＞０方向?yàn)榘霟o限大的ｎ型半導(dǎo)體光陽極區(qū)域，而ｘ＜０方向?yàn)榘霟o限大的??電解液區(qū)域，如圖１－４。??ＲＨＥ?（Ｖ）?Ｖａｃａｕｕｍ??－４．５??????ＣＢ?．??Ｉ??！?？??Ｖ?１??Ｆ?ｆｅ—?ｅ〇／ｒ?????ＶＢ?卜??Ｉ??＜?１???ｘ＝ｏ??圖一維半無限ｎ型半導(dǎo)體半導(dǎo)體－電解液結(jié)模型示意圖。??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｓｅｍｉ－ｉｎｆｉｎｉｔｅ?ｎ－ｔｙｐｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ??ｊｕｎｃｔｉｏｎ?ｍｏｄｅｌ．??１．３．１半導(dǎo)體固－液接觸??對理想的、沒有表面態(tài)的均勻摻雜的ｎ型半導(dǎo)體光陽極，在未與電解液接觸??７??

在處理含有氧化還原電對Ｏ／Ｒ的電解液時，Ｇｅｒｉｓｃｈｅｒ認(rèn)為可將其視為具有??對稱高斯型態(tài)密度分布的能帶結(jié)構(gòu)，其中電子填充部分為還原態(tài)，而電子未填充??部分為氧化態(tài)＾１７］，如圖１－４。電子的費(fèi)米能Ｅ＜ｙＲ為電子填充的最高能級位置，??而溶液體系的化學(xué)勢ＰＱ／Ｒ與溶液費(fèi)米能也相等［１８１，??Ｐ〇／Ｒ?＝?Ｅ〇／ｒ??半導(dǎo)體相的電子化學(xué)勢與電解液電子的化學(xué)勢一般不相等。當(dāng)初始電中性的??ｎ型半導(dǎo)體光陽極與初始電中性的電解液接觸時，兩相處在化學(xué)勢不相等的熱力??學(xué)非平衡態(tài)，ｎ型半導(dǎo)體中的電子通常具有更高的勢能。為了達(dá)到化學(xué)勢的平衡，??電子會從高勢能的相轉(zhuǎn)移到低勢能的相，在半導(dǎo)體一側(cè)留下無法移動的離子實(shí)。??離子實(shí)與電子在固－液之間建立電場，電場方向從半導(dǎo)體指向電解液。當(dāng)一定數(shù)??量的電子轉(zhuǎn)移后，電場產(chǎn)生的電勢差使兩相中的電子化學(xué)勢達(dá)到平衡，此時電子??的擴(kuò)散與漂移達(dá)到動態(tài)平衡，不再產(chǎn)生凈電流。在熱平衡后，半導(dǎo)體帶正電荷，??８??


本文編號：3430032