一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用。该光电极材料包括Si衬底、所述Si衬底上设置的InGaN纳米柱、所述InGaN纳米柱上表面设置的有机材料层；所述有机材料层为非富勒烯材料层。本发明专利技术使用有机材料IT

【技术实现步骤摘要】
一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及InGaN纳米柱领域，特别涉及一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]无偏压下光电化学水分解制氢在解决全球能源危机和环境问题方面显示出巨大的潜力。InGaN纳米柱带隙可调(E
g
为0.65eV～3.4eV)，可通过调控铟组分来调节光吸收，从而成为光电极的理想候选者。而且，InGaN纳米柱具有适合水氧化还原反应的能带位置，较长的电荷扩散距离，较高的电子迁移率、高的比表面积以及杰出的理论太阳能转换氢能(STH)效率(～27％)，使得InGaN纳米柱有利于光电化学全水分解。但InGaN纳米柱的体相和表面电荷快速复合以及缓慢的氧化反应动力学等问题，需要外置偏压来促进电荷传输。因此，开发基于InGaN纳米柱在无偏压下光电化学制氢体系具有重要的研究意义。
[0003]常见的有机材料主要是导电聚合物、富勒烯以及非富勒烯材料，由于制备成本低、重量轻、来源丰富、溶液加工性优异、可加工成柔性大面积器件，成为光电材料器件领域的一大研究热点。近年来，随着非富勒烯材料的迅速发展，基于非富勒烯的各类光电器件性能优异。因此，构筑基于非富勒烯材料的光电化学电池也是进一步提升光电转化性能的又一种新型途径。而且，由于InGaN纳米柱存在表面电荷快速复合的问题，因此，构建InGaN纳米柱/有机异质结构光电极结构，有利于拓宽吸收光谱、促进电荷载流子的传输，从而为构建无偏压的光电化学制氢体系提供了一条新型的途径。而且，有机材料可以附着在InGaN纳米柱表面上，有利于消除InGaN纳米柱的表面态，同时有利于电子从InGaN纳米柱转移到有机材料，实现在有机材料/电解液界面的还原反应。此外，InGaN纳米柱与有机材料的吸收光谱互补，能级匹配，有利于形成较好的电子传输通道，从而实现无偏压下的光电化学制氢过程。因此，基于InGaN/有机异质结构光电极材料的构建为高效利用太阳能转换为氢能提供了有效策略。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对InGaN纳米柱表面电荷快速复合的不足，提供一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用。本专利技术使用有机异质结不仅拓宽了吸收光谱的范围，同时有利于光生载流子的解离及传输，大幅度提高纳米柱的光电性能，从而实现无偏压光电化学水分解制氢。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
[0006]一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料，包括Si衬底、所述Si衬底上设置的InGaN纳米柱、所述InGaN纳米柱上表面设置的有机材料层；所述有机材料层为非富勒烯材料层。
[0007]优选的，所述有机材料为IT
‑
4F，结构式如下：
[0008][0009]优选的，所述InGaN纳米柱中In原子在金属原子中所占的比例为5％～30％，纳米柱的高度为100～600nm，直径为50～100nm，密度为100～300μm
‑2；所述金属原子包括In和Ga。
[0010]优选的，所述Si衬底为超低阻硅，电阻率小于1Ω
·
cm。
[0011]制备以上任一项所述的一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料的方法，包括以下步骤：
[0012](1)采用分子束外延生长工艺在Si衬底上生长InGaN纳米柱；
[0013](2)通过旋涂的方式在所述InGaN纳米柱上沉积有机材料层；其中，旋涂条件为：有机材料溶液的浓度为8～12mg/mL，转速为3500～4500r/min，时间为30～45s，退火温度为90～100℃，退火时间为10～15min。
[0014]优选的，所述旋涂条件为：有机材料溶液的浓度为10mg/mL，转速为4000r/min，时间为30s，退火温度为100℃，退火时间为10min。
[0015]优选的，所述在Si衬底上生长InGaN纳米柱包括以下步骤：
[0016]采用分子束外延生长工艺，控制Si衬底的温度为450～980℃，Si衬底转速为5～10r/min，Ga束流等效压强为1.0
×
10
‑8～1.5
×
10
‑7Torr，In束流等效压强为1.0
×
10
‑8～5
×
10
‑7Torr，氮气流量为1～5sccm，等离子体源功率为200～400W，生长时间为1～5h，在Si衬底上生长InGaN纳米柱。
[0017]优选的，所述Si衬底选取Si(111)晶面(导电率<0.005Ω)，需要经过清洗处理和退火处理；所述清洗处理是首先用有机溶剂除去Si衬底表面的有机污染物，然后用HF溶液处理Si衬底以处理表面氧化层，最后用高纯干燥氮气吹干；所述退火处理是将清洗处理后所得Si衬底放入反应室内，在900～980℃下对Si衬底进行退火处理10～30min，以获得重构的表面。
[0018]优选的，所述用有机溶剂除去Si衬底表面的有机污染物依次在丙酮、无水乙醇中清洗，之后用水漂洗干净；所述HF溶液溶度为5～20％。
[0019]以上任一项所述的一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料在制备光电极中的应用，所述光电极为光阴极，为异质结构电极。
[0020]优选的，所述光电极是用Ti
‑
Au合金将导线与所述基于InGaN/有机异质结构光电极材料的Si衬底背面相连而成。
[0021]以上所述的光电极在无偏压下光电化学制氢体系中的应用，所述体系包括光阳极、光阴极、电解液、光源和电解池；所述光阳极与光阴极通过导线连接，并置于电解液中，通过太阳光照射光电极进行氢气的制备。
[0022]优选的，所述电解液的pH为0～14；所述的太阳光照射光电极方式为平行光照射或者全照射。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0024](1)本专利技术使用有机材料与InGaN纳米柱形成异质结构，互补的吸收光谱及较好的能级匹配，有利于促进光生载流子的产生及传输，从而大大提高InGaN纳米柱光电化学水分解的光电转换效率。
[0025](2)本专利技术使用有机材料与InGaN纳米柱形成异质结构，可以与InGaN纳米柱之间形成较好的肖特基势垒，有效的将InGaN纳米柱中的电子转移到有机材料中，从而促进了有机材料/电解液界面的还原反应。
[0026](3)本专利技术使用有机材料与InGaN纳米柱形成异质结构，可以钝化InGaN纳米柱表面态，减少电荷复合中心，促进电荷载流子的分离及输运性能，从而改善器件的光电性能。
[0027](4)基于InGaN纳米柱/有机异质结构光电极在无偏压下光电化学制氢体系应用时，可以大幅度的拓宽光谱吸收、提高水分解所需光电压，实现无偏压光电化学水分解制氢，有利于大规模的太阳能产氢。
附图说明
[0028]图1为实施例1中一种基于InG本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料，其特征在于，包括Si衬底、所述Si衬底上设置的InGaN纳米柱、所述InGaN纳米柱上表面设置的有机材料层；所述有机材料层为非富勒烯材料层。2.根据权利要求1所述的一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料，其特征在于，所述有机材料为IT
‑
4F。3.根据权利要求1
‑
2任一项所述的一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料，其特征在于，所述InGaN纳米柱中In原子在金属原子中所占的比例为5％～30％，纳米柱的高度为100～600nm，直径为50～100nm，密度为100～300μm
‑2；所述金属原子包括In和Ga。4.根据权利要求1
‑
2任一项所述的一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料，其特征在于，所述Si衬底为超低阻硅，电阻率小于1Ω
·
cm。5.制备权利要求1
‑
4任一项所述的一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用分子束外延生长工艺在Si衬底上生长InGaN纳米柱；(2)通过旋涂的方式在所述InGaN纳米柱上沉积有机材料层；其中，旋涂条件为：有机材料溶液的浓度为8～12mg/mL，转速为3500～4500r/min，时间为30～45s，退火温度为90～100℃，退火时间为10～15min。6.根据权利要求5所述的一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料，其特征在于，所述旋涂的条件为：有机材料溶液的浓度为10mg/...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，谢少华，刘乾湖，梁杰辉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：