一种降低Ni/n-Si光阳极光电化学分解水开启电位的方法技术

本发明专利技术公开了一种降低Ni/n‑Si光阳极光电化学分解水开启电位的方法，通过对制备的Ni/n‑Si光阳极进行一个简单的快速热处理过程，减少了存在于Ni/n‑Si界面之间的界面态，解除了这些界面态引起的费米能级钉扎效应，提高了Ni/n‑Si所形成的肖特基势垒高度，从而在光照时Ni/n‑Si光阳极产生更高的光生电压，最终降低了Ni/n‑Si光阳极光电化学分解水开启电位。该降低Ni/n‑Si光阳极光电化学分解水开启电位的方法操作简单，成本低廉，适合大规模应用到金属/n‑Si光阳极系统中，对于促进光电化学分解水技术的发展和应用具有积极意义。

A method of reducing the Ni/n Si photoanode photoelectrochemical water splitting open potential

The invention discloses a method for reducing Ni/n Si photoanode photoelectrochemical water splitting open potential, a simple rapid thermal process by means of Ni/n Si photoanode preparation, reducing the interface state between Ni/n Si interface, the lifting of the Fermi level of these interface states induced by pinning effect, increase the Schottky barrier height of Ni/n formed Si, and in the light of Ni/n Si light anode to generate higher photovoltage, the final Ni/n Si photoanode photoelectrochemical water splitting open reduction potential. The operation method of Ni/n Si photoanode photoelectrochemical water splitting open potential is simple, low cost, suitable for large-scale application of /n to the metal Si light anode system, has positive significance for the development and application of water photoelectrochemical decomposition.

【技术实现步骤摘要】
一种降低Ni/n-Si光阳极光电化学分解水开启电位的方法
本专利技术涉及光电化学
，具体涉及一种降低Ni/n-Si光阳极光电化学分解水开启电位的方法。
技术介绍
光电化学分解水可实现太阳能到氢能的绿色转化，被认为是解决目前日益严峻的能源危机和环境污染问题的一种有效手段。光电化学分解水完整的电化学反应包括产氢和产氧两个半反应，产氢反应在光阴极发生，产氧反应在光阳极发生。其中，产氧反应由于同时需要4个电子参与反应而更难实现。因此，开发高性能的光阳极材料是实现太阳能高效光电化学分解水的关键。Si是地球上储量第二丰富的元素，具有合适的能级位置以及高的载流子迁移率，因而被认为是一种理想的光阳极材料。然而，硅作为光阳极在与电解液接触时很容易发生阳极腐蚀，并且在Si表面产氧反应的动力学过程非常缓慢。在Si上面沉积一层具有产氧催化活性的金属(例如Ni)，不仅能很好保护Si不受腐蚀，而且还能大幅提高产氧反应速率。但是，当Ni沉积在Si表面时在Ni/Si界面处存在有大量的缺陷，这些缺陷导致Ni/Si界面处的界面态密度较高。这些高密度的界面态会造成很强的费米能级钉扎，导致Ni/n-Si之间形成低的肖特基势垒。而Ni/n-Si光阳极在光照时产生的光生电压强烈依赖于肖特基势垒高度。低的肖特基势垒导致Ni/n-Si光阳极产生低的光生电压，因而光电化学分解水开启电位较高，需要外界再提供较高的能量实现分解水。这对利用太阳能实现光电化学分解水是非常不利的。想提高Ni/n-Si光阳极的光生电压从而降低其光电化学分解水开启电位，减少这些界面态以消除费米能级钉扎就显得尤为重要。正是基于这种重要性，本专利技术提出了通过对Ni/n-Si光阳极在N2气氛下快速热处理减少Ni/Si界面的界面态，从而降低光电化学分解水开启电位的新方法。
技术实现思路
基于以上技术问题，本专利技术提供一种降低Ni/n-Si光阳极光电化学分解水开启电位的方法，通过对Ni/n-Si光阳极在N2气氛下快速热处理减少Ni/n-Si界面的界面态，从而降低光电化学分解水开启电位。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种降低Ni/n-Si光阳极光电化学分解水开启电位的方法，其特征在于，将Ni/n-Si光阳极进行快速热处理。本专利技术提供的优选方案中，具体包括以下步骤：将Ni/n-Si光阳极放入快速热处理炉，在惰性保护气气氛下，升温进行快速热处理。优选地，所述惰性保护气为氮气。优选地，所述快速热处理的温度为450-550℃。更优选地，所述快速热处理的温度为450℃。优选地，所述升温的升温速率为20-60℃/s。更优选地，所述升温的升温速率为30℃/s。优选地，所述快速热处理的时间30-60秒；其中快速热处理时间不包含升温所用时间。本专利技术的有益效果本专利技术提供的降低Ni/n-Si光阳极光电化学分解水开启电位的方法，通过对制备的Ni/n-Si光阳极进行一个简单的快速热处理过程，减少了存在于Ni/n-Si界面之间的界面态，解除了这些界面态引起的费米能级钉扎效应，提高了Ni/n-Si所形成的肖特基势垒高度，从而在光照时Ni/n-Si光阳极产生更高的光生电压，最终降低了Ni/n-Si光阳极光电化学分解水开启电位。该降低Ni/n-Si光阳极光电化学分解水开启电位的方法操作简单，成本低廉，适合大规模应用到金属/n-Si光阳极系统中，对于促进光电化学分解水技术的发展和应用具有积极意义。附图说明图1.本专利技术实施例2中经过热处理的Ni/n-Si光阳极与实施例1中未热处理Ni/n-Si光阳极的XRD对比谱图；图2.本专利技术实施例2中经过热处理的Ni/n-Si光阳极与实施例1中未热处理Ni/n-Si光阳极的横截面TEM对比图；图3.本专利技术实施例2中经过热处理的Ni/n-Si光阳极与实施例1中未热处理Ni/n-Si光阳极的C-V曲线对比图；图4.本专利技术实施例3中经过热处理的Ni/n-Si光阳极与实施例1中未热处理Ni/n-Si光阳极的C-V曲线对比图；图5.本专利技术实施例4中经过热处理的Ni/n-Si光阳极与实施例1中未热处理Ni/n-Si光阳极的C-V曲线对比图；图6.本专利技术对比例1中经过热处理的Ni/n-Si光阳极与实施例1中未热处理Ni/n-Si光阳极的C-V曲线对比图。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本专利技术进行进一步说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据以上专利技术的内容做出一些非本质的改进和调整。在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例1将P掺杂的n型电阻率为0.8-1Ω·cm单晶Si片首先浸泡在H2SO4：H2O2体积比为3:1的溶液中10分钟进行清洗，然后在H2O：HCl：H2O2体积比为5:1:1的溶液中在75℃下浸泡10分钟进行清洗。将清洗后的样品在4％稀HF溶液中浸泡10秒去除表面氧化层。将去除表面氧化层的硅片立即放入电子束蒸发腔室，保持腔室温度为50℃真空度为2×10-4Pa。以的沉积速率在硅片上电子束蒸发沉积约20nmNi薄膜，得到Ni/n-Si光阳极。实施例2将实施例1所制备的Ni/n-Si光阳极放入快速热处理炉，在高纯N2气氛下，在450℃下快速热处理30秒，其中升温速率为30℃/s。热处理30秒时间不包括升温过程所用时间。得到快速热处理后的Ni/n-Si光阳极。通过对比热处理前后Ni/n-Si光阳极XRD图以及横截面TEM图我们可以观察到热处理前后Ni/n-Si光阳极物相以及结构的变化。图1为Ni/n-Si热处理前后XRD图，通过对比我们可以发现热处理后Ni的衍射峰变得尖锐，半峰宽变窄，说明热处理后Ni的结晶性提高。图2(a)和(b)分别为热处理前和热处理后Ni/n-Si光阳极横截面TEM图。通过对比我们可以发现热处理前Ni薄膜是有许多各个晶向的的小晶粒组成，热处理后这些小的晶粒变成单一晶向的大晶粒。Ni/n-Si光阳极热处理前后C-V曲线如图3所示，我们可以发现热处理后Ni/n-Si光阳极开启电位有一个明显的负移，负移程度约为150mV。这就说明我们通过对Ni/n-Si实施一个快速热处理过程能显著降低其光电化学分解水开启电位。实施例3将实施例1制备的Ni/n-Si光阳极放入快速热处理炉，在高纯N2气氛下，在550℃下快速热处理30秒，其中升温速率为30℃/s。热处理30秒时间不包括升温过程所用时间。得到快速热处理后的Ni/n-Si光阳极。Ni/n-Si光阳极热处理前后C-V曲线如图4所示，我们可以发现热处理后Ni/n-Si光阳极开启电位负移了100mV。实施例4将实施例1制备的Ni/n-Si光阳极放入快速热处理炉，在高纯N2气氛下，在550℃下快速热处理60秒，其中升温速率为30℃/s。热处理60秒时间不包括升温过程所用时间。得到快速热处理后的Ni/n-Si光阳极。Ni/n-Si光阳极热处理前后C-V曲线如图5所示，我们可以发现热处理后Ni/n-Si光阳极开启电位负移了80mV。实施例5将实施例1制备的Ni/n-Si光阳极放入快速热处理炉，在高纯N2气氛下，在550℃下快速热处理60秒，其中升温速率为20℃/s。热处理60秒时间不包括升温过程所用时间。得到快速热处理后的Ni/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低Ni/n‑Si光阳极光电化学分解水开启电位的方法，其特征在于，将Ni/n‑Si光阳极进行快速热处理。

【技术特征摘要】
1.一种降低Ni/n-Si光阳极光电化学分解水开启电位的方法，其特征在于，将Ni/n-Si光阳极进行快速热处理。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：将Ni/n-Si光阳极放入快速热处理炉，在惰性保护气气氛下，升温进行快速热处理。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述惰性保护气为氮气。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述快速热处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘广为，李生阳，师文生，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11