一种用于光解水的全空间梯度掺杂光电极及制备方法技术

本发明专利技术公开了用于光解水的全空间梯度掺杂光电极及制备方法，属于光电化学领域。利用多次生长单一材料吸收层方式将氧化物薄膜(Cu2O,α

【技术实现步骤摘要】
一种用于光解水的全空间梯度掺杂光电极及制备方法


[0001]本专利技术属光电化学领域，涉及一种全空间梯度掺杂光电极及其制备方法，尤其涉及光生载流子分离与转移，以及其在光电化学分解水(PEC
‑
WS)领域的应用。

技术介绍

[0002]以光电化学转换为核心的太阳能捕获技术作为一种新型、高效、廉价的能量转换方法，在解决能源短缺和环境污染问题方面具有广泛应用前景。PEC
‑
WS作为光电化学转换的有效方式之一，半导体光电极的选择对其性能至关重要。而氧化物薄膜光电极因具有化学组成可调、能带可控、性能稳定等优点在PEC
‑
WS领域优势凸显，但低的载流子分离效率阻碍了其在PEC
‑
WS领域的进一步应用。
[0003]为解决载流子分离效率偏低的问题，目前研究策略主要有：(1)构建异质/同质结、晶面工程等，这种方式虽然有效，但作用范围有限，且会额外引入表/界面缺陷；(2)开发具有自发极性的新材料，但该材料对晶体结构要求高、合成难度大，很难推广；(3)掺杂调控能带结构，即利用元素扩散和不同浓度的前驱体溶液构建内建电场，但存在内建电场空间作用范围及缺陷引入不可兼顾的问题。内建电场已被证明能有效促进载流子分离，但如何构建方向与空间作用范围可控的内建电场，且避免引入额外的缺陷成为研究的重点与难点。

技术实现思路

[0004]本专利技术基于元素掺杂调控能带结构的思想，提出利用全空间梯度掺杂的方式构建内建电场，以提高氧化物薄膜光电极载流子分离效率。r/>[0005]本专利技术所述一种全空间梯度掺杂光电极，从下到上依次为：FTO基底，氧化物薄膜和层状掺杂源组成改性氧化物薄膜，且掺杂源浓度从下到上依次降低。
[0006]进一步地，在上述技术方案中，所述氧化物薄膜层包括：α
‑
Fe2O3,TiO2,WO3,Cu2O,BiVO4中的任意一种。这几种氧化物薄膜半导体均可作为光电极。
[0007]进一步地，在上述技术方案中，所述掺杂源包括：Ta2O5,SnO2,TiO2,SiO2,Al2O3,MgO,NiO中的任意一种或其任意两种以上的组合。掺杂源的原子半径、价态等因素影响氧化物薄膜半导体的能带结构。
[0008]进一步地，在上述技术方案中，所述氧化物薄膜通过水热法、原子层沉积法、热分解法所得；所掺杂源通过喷雾热解、原子层沉积、吸附法所得。
[0009]进一步地，在上述技术方案中，所述全空间梯度掺杂光电极厚度(除FTO基底外)为450
‑
550nm(最佳为500nm)。由于氧化物薄膜层沉积于透明导电FTO基底上，该氧化物薄膜层的形貌为平面结构，450
‑
550nm(最佳为500nm)不仅有利于调控全空间范围内的梯度掺杂，还可以保持良好的吸收。
[0010]进一步地，在上述技术方案中，所述氧化物薄膜层厚度从FTO基底向上依次为65
‑
75nm(优选70nm)、80
‑
90nm(优选85nm)、95
‑
105nm(优选100nm)、110
‑
120nm(优选115nm)和125
‑
135nm(优选130nm)。由于该范围内氧化物薄膜厚度，高温下掺杂源会对氧化物薄膜进
行充分扩散。设10
‑
20nm(优选15nm)厚度梯度，有利于光生载流子在梯度变化的光电极内部进行充分分离和转移。
[0011]进一步地，在上述技术方案中，掺杂源为均一厚度，厚度为1.5
‑
2.5nm(优选2nm)。在高温退火后，1.5
‑
2.5nm(优选2nm)厚掺杂源不仅能够对氧化物薄膜形成掺杂，而且可以忽略氧化物薄膜与掺杂源形成的异质结界面接触，有利于载流子输运。
[0012]进一步地，在上述技术方案中，所述氧化物薄膜半导体为n型或p型半导体，所述掺杂源为n型或p型掺杂。
[0013]进一步地，在上述技术方案中，全空间梯度掺杂光电极如图1所示。
[0014]本专利技术所述一种全空间梯度掺杂光电极的制备方法，包括如下步骤：以FTO为基底，将氧化物薄膜(Cu2O,α
‑
Fe2O3)与层状掺杂源(Ta2O5,SnO2,TiO2,SiO2,Al2O3,Ga2O3,MgO,NiO)重复生长，再经高温退火得到扩散掺杂光电极。
[0015]进一步地，在上述技术方案中，采用多次生长单一材料吸收层和高温扩散方式实现梯度掺杂，通过调控氧化物薄膜厚度、掺杂源含量及种类等，获得方向及空间作用范围可控的全空间梯度掺杂光电极。
[0016]进一步地，在上述技术方案中，光电极是以FTO为导电基底生长。
[0017]本专利技术还进一步提供了应用，即采用上述一种全空间梯度掺杂光电极在光电化学分解水中的应用。
[0018]进一步地，在上述技术方案中，光电化学分解水工作原理如图2所示。
[0019]在本专利技术方案中，提出梯度掺杂构建方向与空间作用范围可控的内建电场，通过调控光电极薄膜厚度，掺杂源含量、价态及原子半径等参数，探明具有最佳载流子分离效率的结构配置。氧化物薄膜光电极具有化学组成可调的特性，可通过元素掺杂对半导体能带位置进行精准设计和调控，同时借助梯度掺杂使能带位置连续变化，形成内建电场。本专利技术利用多次生长单一材料吸收层和高温扩散掺杂相结合的方式制备梯度掺杂的氧化物薄膜光电极，既能构建方向与空间作用范围可控的内建电场，又可通过扩散掺杂减少缺陷引入，保证光电极材料良好的结晶性。
[0020]技术效果
[0021]本专利技术利用多次生长单一材料吸收层和高温扩散掺杂合成Sn掺杂α
‑
Fe2O3光电极，并通过固定掺杂源Sn
4+
含量，连续改变α
‑
Fe2O3薄膜厚度方法形成梯度掺杂。连续生长五个循环FeOOH薄膜和层间掺杂源Sn
4+
，合成了均匀掺杂和梯度掺杂(由FTO基底到固液界面梯度掺杂增大和梯度掺杂减小)α
‑
Fe2O3光电极材料。SEM显示其厚度均为～500nm，且吸收率几乎没有变化。但梯度掺杂减小α
‑
Fe2O3光电极展现了更大光电流密度(1.61mA/cm2)，而梯度掺杂增大光电极拥有最小光电流密度(0.66mA/cm2)。利用H2O2空穴清除剂法计算载流子的分离效率和转移效率发现，梯度掺杂减小α
‑
Fe2O3光电极拥有更大的载流子分离效率和转移效率，而梯度掺杂增大导致载流子分离效率和转移效率相对偏低。主要原因在于梯度掺杂减小α
‑
Fe2O3光电极构建的内建电场与固/液结处内建电场方向一致，有利于促进载流子分离。而梯度掺杂增大光电极构建的内建电场与固/液结处内建电场方向相反，阻碍了载流子分离，降低了PEC
‑
WS性能。
附图说明
[0022]图1：一种用于光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全空间梯度掺杂光电极，从下到上依次为：FTO基底，氧化物薄膜和层状掺杂源组成改性氧化物薄膜，且氧化物薄膜为多层，其掺杂源浓度从下到上依次降低。2.根据权利要求1所述用于光解水的全空间梯度掺杂光电极，其特征在于：所述氧化物薄膜层选自α
‑
Fe2O3,TiO2,WO3,Cu2O或BiVO4。3.根据权利要求1所述用于光解水的全空间梯度掺杂光电极，其特征在于：所述掺杂源选自Ta2O5,SnO2,TiO2,SiO2,Al2O3,MgO或NiO中一种或两种。4.根据权利要求1所述用于光解水的全空间梯度掺杂光电极，其特征在于：所述氧化物薄膜通过水热法、原子层沉积法或热分解法所得；所述层状掺杂源通过喷雾热解、原子层沉积或吸附法所得；所述光电极是以FTO为导电基底生长。5.根据权利要求1所述用于光解水的全空间梯度掺杂光电极，其特征在于：所述全空间梯度掺杂光电极厚度(除FTO基底外)为450
‑
550nm。6.根据权利要求1所述用于光解水的全空间梯度掺杂光电极，其特征在于：所述氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：周忠源，王鑫，郁有祝，孙翰，郑肖建，
申请(专利权)人：安阳工学院，
类型：发明
国别省市：