一种可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系制造技术

本实用新型专利技术属光电转换与新能源领域，为解决现有技术中氧化铁光阳极不能实现完全光解水的技术问题，提出可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系，包括氧化铁吸收层、p型硅掺杂层、n型硅基底、背导电层、背防水绝缘层；所述的p型硅掺杂层与n型硅基底构成硅pn结；硅pn结的形貌为金字塔阵列结构；p型硅掺杂层与氧化铁吸收层之间设置有透明导电隧穿层。内嵌硅pn结使得硅层吸收入射光时产生较大的光电压，此光电压将与氧化铁吸收层形成串联关系，相当于外加了此大小的电压于氧化铁层，将有效降低氧化铁光阳极的开启电压，提高了氧化铁吸收层的导电率及其光生载流子的收集效率，从而实现了完全光解水。

An iron oxide photoanode system with embedded silicon PN junction and complete photolysis of water

【技术实现步骤摘要】
一种可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系
本技术涉及一种可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系及制备方法，尤其涉及该光阳极用于完全光解水时的能带界面调控技术，属光电转换与新能源领域。
技术介绍
以光电极为核心的光电化学电池，是一种有望借助太阳能而低成本地实现光解水制氢的有效途径。它借助半导体材料吸收太阳光而产生的光生载流子参与水的氧化与还原反应(产生氢气)，即完成太阳能转换为高能量的绿色燃料。当前，光电化学电池制氢在应用推广中却受到了诸多技术困难。其中，关键问题是绝大部分的光电极材料无法仅仅依靠太阳能而实现光解水(即需要外加一定的偏压)。虽然少数宽禁带半导体材料(如KTaO3)从理论上能实现完全光解水(即不需要外加偏压)，但这些材料只能吸收紫外光，也就是说绝大部分的太阳光是不能被利用。此外，这些宽禁带半导体材料在水溶液中的稳定性差。为了得到较高太阳能转换效率的光电化学电池体系，光电极材料要具有适中的禁带宽度，且在水溶液中具有良好的化学稳定性。氧化铁(α-Fe2O3)已被证实具有优异的化学稳定性、合适的禁带宽度(1.9～2.3eV，理论上的转换效率可到12.9％～16.8％)、良好的环境兼容性等特征，是理想的光阳极材料。然而，其少子寿命较短，导致当氧化铁较厚时(几百纳米以上)产生的光生载流子不能被有效地抽取与收集。此外，其导带电势位置低于H+/H2电势，导致光生电子不能满足无偏压下的光还原水反应(既氧化铁光阳极体系不能实现完全光解水)。为了解决上述问题，常用的办法是在氧化铁光吸收层下方引入另外一层光吸收层，通过结合内外光吸收层材料的能带位置从理论上满足完全光解水的热力学要求。通过双吸收层构筑的光电化学电池体系，虽然从理论上可实现完全光解水，但由于内吸收层与外吸收层异质结所产生的光电压偏小，且由于在内/外吸收层界面上的载流子复合严重导致整个光电极体系的光电流较小，导致实验上很难真正实现完全光解水，或者是无偏压时光电流很小。
技术实现思路
本技术本为解决现有技术中氧化铁光阳极不能实现完全光解水，氧化铁与其他光吸收层构筑的双吸收层光电极能带不匹配的问题而导致载流子复合严重、光生电压偏小的技术问题。采用的技术方案如下：一种可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系，所述的光阳极为复合层式结构，其特征在于：沿着光入射方向依次包括氧化铁吸收层、p型硅掺杂层、n型硅基底、背导电层、背防水绝缘层；所述的p型硅掺杂层与n型硅基底构成硅pn结；硅pn结的形貌为金字塔阵列结构；p型硅掺杂层与氧化铁吸收层之间设置有透明导电隧穿层，透明导电隧穿层为掺铌的氧化锡。优选地氧化铁层的厚度为50～150nm。优选地p型硅掺杂层中硼掺杂的浓度范围为5.0×(1018～1019)cm-3，深度为0.1～0.3μm。优选地n型硅基底中掺磷的浓度范围为5.0×(1014～1015)cm-3，基底厚度为200～600μm。优选地透明导电隧穿层所述的透明导电隧穿层各处厚度相等，厚度为10～50nm。优选地金字塔阵列为密排形貌，尺寸在一定范围内随机分布(即高度为0.5～3μm、底边长度为0.7～4μm)。上述方案中内嵌硅pn结可以使得硅层吸收入射光时产生较大的光电压(而单独的n或p型硅掺杂层是不能实现此功能的)，此光电压将与氧化铁光吸收层形成串联关系，相当于外加了此大小的电压于氧化铁层，将有效降低氧化铁光阳极的开启电压。硅pn结为金字塔形貌，此处所述的金字塔阵形貌的几何特征为棱锥，包括三棱锥、四棱锥等任意棱锥；金字塔阵形貌可以(1)使得后续将在其上生长的氧化铁薄膜为微纳结构化，从而极大提高氧化铁薄膜的比表面积和增强其单位体积内的光吸收效率；(2)虽然透过氧化铁层太阳光的强度已经有了明显衰减，但金字塔形貌化处理可以增强硅层的光吸收能力，使得硅中光生载流子的数量与氧化层中的光生载流子相当(若两者对应的光生载流子数量相差悬殊，数量明显更少的一方将决定整个光阳极的输出性能)。p型硅掺杂层与氧化铁吸收层之间设置的透明导电隧穿层可以避免p型硅与氧化铁直接接触时带来的能带不匹配问题、以及硅/氧化铁界面处载流子复合严重的问题。此外，透明导电隧穿层中的金属元素还可作为氧化铁吸收层的掺杂源，可提高氧化铁吸收层的导电率及其光生载流子的收集效率，从而可实现完全光解水的效果。附图说明图1：可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系示意图；其中：1-1为n型硅基底，1-2为p型硅掺杂层；1-3为透明导电隧穿层，1-4为氧化铁吸收层，1-5为背导电层，1-6为防水绝缘层；图2：金字塔形貌的硅pn结的扫描电子显微镜图；图3：在硅pn结上先后生长了透明导电隧穿层和氧化铁吸收层后的扫描电子显微镜图；图4：氧化铁层分别生长在FTO基底和金字塔阵列化的硅pn结基底时所构筑的光阳极体系的电流-电压特性；其中：4-1为氧化铁层生长在金字塔阵列化的硅pn结基底时所构筑的光阳极体系的暗态电流-电压特性；4-2为氧化铁层生长在金字塔阵列化的硅pn结基底时所构筑的光阳极体系在AM1.5G光照下的电流-电压特性；4-3为氧化铁层生长在FTO基底时所构筑的光阳极体系的暗态电流-电压特性；4-4为氧化铁层生长在FTO基底时所构筑的光阳极体系在AM1.5G光照下的电流-电压特性。注意4-1与4-3两种情况下电流-电压曲线几乎重合。具体实施方式为了更清楚地说明本技术方案，下面结合附图及实施例作进一步描述：实施例一种可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系，如图1所示：所述光阳极为复合层式结构，沿着光入射方向依次包括氧化铁吸收层1-4、p型硅掺杂层1-2、n型硅基底1-1、背导电层1-5、背防水绝缘层1-6；所述的p型硅掺杂层与n型硅基底构成硅pn结：(1)硅pn结的形貌为金字塔阵列结构；(2)p型硅掺杂层1-2与氧化铁光吸收层1-4之间设置有透明导电隧穿层1-3，透明导电隧穿层为掺铌的氧化锡。所提出的可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系可完全光解水的工作原理如下：宽光谱的太阳光入射至光阳极表面时，由于表面金字塔结构的陷光效应，绝大部分入射光进入光阳极内部，短波与长波分别被氧化铁与硅层吸收，1100nm以上的入射光则被光阳极的背导电层反射回去，从光阳极上表面离开。硅层吸收的入射光产生光生载流子，在pn结内建电场的促进下得到有效分离，同时在开路状态下能观测到一个较大的光电压(电场方向由光阳极底层指向顶层)。氧化铁层中的光生载流子则在固/液界面附近的耗尽层内得到有效分离。氧化铁层中的光生空穴被抽取至固/液界面参与水的氧化反应；硅pn结中产生的光生电子则通过背电极输运至对电极参与水的还原反应；氧化铁中的光生电子与硅pn结中的光生空穴则通过透明导电隧穿层发生湮灭。水的氧化反应与还原反应达到平衡状态时所对应的载流子束流表现为所观测到的光电流密度。n型硅金字塔阵列化结构，如图2所示。内嵌硅pn结的氧化铁复合结构，如图3所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系，所述的光阳极为复合层式结构，其特征在于：沿着光入射方向依次包括氧化铁吸收层、p型硅掺杂层、n型硅基底、背导电层、背防水绝缘层；所述的p型硅掺杂层与n型硅基底构成硅pn结；硅pn结的形貌为金字塔阵列结构；p型硅掺杂层与氧化铁吸收层之间设置有透明导电隧穿层，所述的透明导电隧穿层为掺铌的氧化锡。/n

【技术特征摘要】
1.一种可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系，所述的光阳极为复合层式结构，其特征在于：沿着光入射方向依次包括氧化铁吸收层、p型硅掺杂层、n型硅基底、背导电层、背防水绝缘层；所述的p型硅掺杂层与n型硅基底构成硅pn结；硅pn结的形貌为金字塔阵列结构；p型硅掺杂层与氧化铁吸收层之间设置有透明导电隧穿层，所述的透明导电隧穿层为掺铌的氧化锡。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴绍龙，肖臣鸿，周忠源，李刘晶，丁浩，李孝峰，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32