[發明專利]硅基半導體PN結結構及其制備方法、光電陰極和應用

有效

• 申請號: 202010744485.0
• 申請日: 2020-07-29
• 公開（公告）號: CN111986928B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 鞏金龍;李慧敏;王拓;劉珊珊
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;B01J21/06;B01J23/42
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 琪琛

本發明屬于半導體電極技術領域，公開了一種硅基半導體PN結結構及其制備方法、光電陰極和應用，p型硅基底表面沉積有TiO₂納米結晶層，TiO₂納米結晶層通過還原處理后與p型硅基底形成肖特基接觸，得到p型硅?二氧化鈦異質結結構；其結晶性TiO₂納米層上負載Pt助劑構成硅基半導體PN結光電陰極，該光電陰極應用于光電化學池光解水制氫中。本發明的硅基半導體PN結結構能產生較高的光生電壓，且具有較高的穩定性，同時制備方法簡單易行，可控性強，可實現大規模生產；本發明的硅基半導體PN結光電陰極利用n型TiO₂納米結晶層成功促進了光生載流子的分離，提升了硅基光陰極的起始電位，同時也對p型硅基底起到了保護作用。

技術領域

本發明屬于半導體電極技術領域，具體來說，是涉及一種硅基半導體PN結結構及其制備方法和應用。

背景技術

太陽能作為最豐富和取之不盡的能源之一，是一種很有前途的能源危機解決方案。目前利用太陽能電池來產生電力，或者利用基于太陽能的光電催化水分解制氫都是未來獲得能源的理想途徑，具有廣闊的發展和應用前景。在光電極設計中，需要優良的吸光能力、電子傳輸能力以及自身穩定性較高且缺陷較少的半導體材料作為基底以獲得較大的光電轉換效率。單晶硅材料憑借具有優良的吸光能力(波長小于930nm)，電荷遷移能力(電子和空穴分別為1600和400cm²s^-1V^-1)，以及較高的理論光電轉換效率(29％)受到了業界的廣泛關注。近幾十年來，單晶硅在光伏電池領域以及光電解水制氫領域的應用均取得了一系列突破。然而，作為窄禁帶半導體，單晶硅產生的光生電壓較小以及其自身抗腐蝕性差，成為其在光伏電池領域以及光電解水領域的應用中亟待解決的問題。

在光伏電池以及光電解水領域中，提升單晶硅電極光生電壓最常用的方法是進行表面重摻雜。對于光電陰極，p型硅能帶位置無法和產氫電位形成有效的固液結，因此需要在p型硅表面重摻雜形成pn⁺結構，加速載流子分離和傳輸，產生較高的光生電壓，從而提高硅電極的轉化效率。但是表面重摻雜也存著一些固有缺陷：1.為形成較好的重摻雜效果，制備溫度往往較高，而這將會降低體向載流子的壽命；2.制備過程除利用高溫退火實現磷擴散摻雜外，還需額外表面鈍化工藝，整個制備工藝復雜，制備成本較高；3.該方法不具有普適性，很多半導體材料，例如銅銦鎵硒(CIGS)，InP等半導體材料不適合采用重摻雜的方法提升自身的光生電壓。

發明內容

本發明要解決的是現有單晶硅電極表面重摻雜形成PN結成本較高，制備工藝復雜的技術問題，提供了一種高效穩定的硅基半導體PN結結構及其制備方法，并在此基礎上提供了一種硅基半導體PN結光電陰極及其應用。該硅基半導體PN結結構能產生較高的光電電壓，且具有較高的穩定性，同時該硅基半導體PN結結構的制備方法簡單易行，可控性強，可實現大規模生產。

為了解決上述技術問題，本發明通過以下的技術方案予以實現：

根據本發明的一個方面，提供了一種硅基半導體PN結結構，其特征在于，p型硅基底表面沉積有TiO₂納米結晶層，所述TiO₂納米結晶層通過還原處理后與p型硅基底形成肖特基接觸，構建為p型硅-二氧化鈦異質結結構。

進一步地，所述TiO₂納米結晶層的晶型為銳鈦礦型。

進一步地，所述TiO₂納米結晶層厚度為10-200nm。

根據本發明的另一個方面，提供了一種硅基半導體PN結結構的制備方法，該方法按照以下步驟進行：

(1)除去p型硅片體表面自氧化產生的SiO₂；

(2)將步驟(1)得到的p型硅片體作為基底，在p型硅基底表面沉積TiO₂納米結晶層；