[發(fā)明專(zhuān)利]一種光電化學(xué)響應(yīng)的改性方法及光電化學(xué)電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610403863.2
• 申請(qǐng)日: 2016-06-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105932372B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-05-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳紹龍;高翔;李孝峰;嚴(yán)繼木;翟雄飛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M14/00
• 分類(lèi)號(hào): H01M14/00;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 蘇州市新蘇專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 32221
• 代理人: 楊曉東

本發(fā)明公開(kāi)了一種光電化學(xué)響應(yīng)的改性方法及光電化學(xué)電池，屬光電轉(zhuǎn)換與能源領(lǐng)域。該方法的關(guān)鍵步驟包括：熱還原法制備金屬納米顆粒；制作以金屬納米顆粒為核心，二氧化硅為殼層的核殼納米顆粒；將金屬?二氧化硅的核殼納米顆粒修飾于硅微納結(jié)構(gòu)陣列表面；(4)以核殼納米顆粒修飾的硅微納結(jié)構(gòu)陣列為基底使用原子層沉積技術(shù)沉積二氧化鈦鈍化層；退火處理，使得二氧化鈦由無(wú)定型態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦型；將表面修飾和鈍化后的硅微納結(jié)構(gòu)陣列加工為電極，構(gòu)筑成光電化學(xué)電池。本發(fā)明結(jié)合金屬?二氧化硅核殼納米顆粒的表面修飾和晶型二氧化鈦層的表面鈍化，大幅度提高和穩(wěn)定硅微納結(jié)構(gòu)陣列電極的光電化學(xué)響應(yīng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種提高硅微納結(jié)構(gòu)陣列電極光電化學(xué)響應(yīng)度和穩(wěn)定性的方法與硅微納結(jié)構(gòu)陣列光電化學(xué)電池，尤其涉及提高硅微納結(jié)構(gòu)陣列光電化學(xué)響應(yīng)穩(wěn)定性的方法，屬光電轉(zhuǎn)換與能源領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來(lái)，以微納結(jié)構(gòu)陣列為基礎(chǔ)的第三代太陽(yáng)能電池發(fā)展迅速，而硅作為使用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，硅微納結(jié)構(gòu)陣列的各類(lèi)光電器件正吸引著越來(lái)越多的關(guān)注。其中，硅微納米結(jié)構(gòu)陣列作為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如合適的禁帶寬度，優(yōu)異的光捕獲能力，載流子收集擴(kuò)散距離短等。光電化學(xué)電池作為一種新型的器件結(jié)構(gòu)由于制備簡(jiǎn)單過(guò)程(無(wú)需物理過(guò)程制作工作結(jié))、成本低等特點(diǎn)在光-電/光-化學(xué)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域表現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。如Peng等人在《應(yīng)用物理快報(bào)》上發(fā)表的“硅納米線陣列光電化學(xué)太陽(yáng)能電池”(Peng,K.Q.；Wang,X.；Lee,S.T.Silicon Nanowire Array Photoelectrochemical SolarCells.Appl.Phys.Lett.,2008,92,163103)，證明硅納米線構(gòu)筑的光電化學(xué)電池可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的功能。Lewis等人在《能源·環(huán)境科學(xué)》上發(fā)表的“共形包覆無(wú)定型態(tài)二氧化鈦以提高硅微米線陣列在1.0摩爾/升的氫氧化鉀水溶液中的光氧化水產(chǎn)氧的穩(wěn)定性”(Shaner,M.R.；Hu,S.；Sun,K.；Lewis,N.S.Stabilization of Si microwire arrays forsolar-driven H2O oxidation to O2(g)in 1.0M KOH(aq)using conformal coatings ofamorphous TiO2.Energy Environ.Sci.,2015,8,203),說(shuō)明了硅微米結(jié)構(gòu)陣列在光-化學(xué)轉(zhuǎn)換方面是可行的。然而，硅微納結(jié)構(gòu)陣列電極構(gòu)筑的光電化學(xué)電池仍存在諸多問(wèn)題：硅材料在水溶液中的穩(wěn)定性差，由于超大的比表面積使得硅微納結(jié)構(gòu)陣列在水溶液中的光氧化和光腐蝕相對(duì)體結(jié)構(gòu)要嚴(yán)重很多，界面載流子復(fù)合嚴(yán)重、傳輸速率慢等。這嚴(yán)重抑制了硅微納結(jié)構(gòu)電極的光電化學(xué)響應(yīng)，使得其光-電/光-化學(xué)轉(zhuǎn)換效率很低，且性能衰減嚴(yán)重。為此，近年來(lái)對(duì)平面硅或硅微納結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行表面改性的工作來(lái)越來(lái)越多，如表面修飾銀納米顆粒(Duan,C.,Wang,H.；Ou,X.；et al.Efficient Visible Light PhotocatalystFabricated by Depositing Plasmonic Ag Nanoparticles on Conductive Polymer-Protected Si Nanowire Arrays for Photoelectrochemical Hydrogen Generation.ACSAppl.Mater.Interfaces,2014,6,9742)或表面鈍化氧化物隧穿層(Chen,Y.W.；Prange,J.D.；Dühnen,S.；et al.Atomic layer-deposited tunnel oxide stabilizes siliconphotoanodes for water oxidation.Nature Mater.,2011,10,539)等。然而，目前這些表面改性處理的硅微納結(jié)構(gòu)陣列電極，光電化學(xué)響應(yīng)提高幅度有限，更為不理想之處在于長(zhǎng)時(shí)間光照下的光電流密度衰減明顯，多次測(cè)試電流-電壓曲線難于重合。