[發明專利]PN結型硅電極及其制備方法、光電陰極和應用

有效

• 申請號: 202011080074.2
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112176358B
• 公開（公告）日: 2022-11-01
• 發明（設計）人: 鞏金龍;吳波;王拓;劉斌;李慧敏;汪懷遠
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B1/55;C25B11/054;C25B11/069;C25B11/081
• 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PN結型硅電極及其制備方法、光電陰極和應用，先在PN結型硅的N型硅表面自組裝疏水有機硅烷層，而后在疏水有機硅烷層上沉積親水鋁氧化物層；由此構建兩性薄膜保護的PN結型硅電極；其親水鋁氧化物層表面負載Pt助劑即構成硅基半導體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。本發明首先通過在Si基底進行疏水有機硅烷層的自組裝，來提升電極穩定性；然后沉積親水鋁氧化物層來消除疏水保護層引入的氣泡問題；使用有機物代替了之前具有光寄生吸收或者導電性差等缺陷的無機保護層材料，并且使用旋涂等簡單的方式引入保護層，減少了之前制備致密無機薄膜對無塵條件的要求。

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PN結型硅電極及其制備方法和應用。

背景技術

利用光電化學池將太陽能轉換為化學能例如氫能等清潔能源，是解決目前能源危機以及環境問題的有效途經之一。Si因具有含量豐富，優良的光吸收利用能力而受到廣泛地關注。目前，在模擬太陽光電解水實驗中，以Si為基底的光電極在光解水反應取得了優異的性能。但Si光生電壓較小，需要引入外加偏壓以實現全解水反應。因此，通過在Si表面進行磷重摻雜處理(PN結型硅)，可以提升光生電壓，并且通過負載助劑Pt，有效地提高表面反應速率，為實現光解水制氫提供可能。

然而在電勢作用下，當Si電極與電解液接觸時，Si基底容易受到腐蝕，降低了光電轉換效率。目前，常見的解決方式是在電極表面沉積一層致密本征穩定的無機物作為保護層，通過保護層將基底和電解液隔離，以達到保護硅電極的效果。而金屬催化劑由于巨大的光寄生吸收，因此不適用于正照體系中。而廣泛使用金屬氧化物半導體如氧化鈦、氧化鋁、氧化鎢等也需要平衡光的寄生吸收以及電子傳輸性。而且為實現薄膜無孔洞，金屬氧化物必須在無塵條件下沉積，這些嚴苛的沉積手段同樣限制光電極的工業化使用。因此，尋找新型保護層材料具有重大的意義。

發明內容

本發明要解決的是Si基光陰極在電解液中不穩定的技術問題，提供了一種兩性薄膜保護的PN結型硅電極及其制備方法，并在此基礎上提供了一種PN結型硅光電陰極及其應用。本發明首先通過在Si基底進行疏水有機硅烷層的自組裝，來提升電極穩定性；然后沉積親水鋁氧化物層來消除疏水保護層引入的氣泡問題；使用有機物代替了之前具有光寄生吸收或者導電性差等缺陷的無機保護層材料，并且使用旋涂等簡單的方式引入保護層，減少了之前制備致密無機薄膜對無塵條件的要求。

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PN結型硅電極，包括PN結型硅，所述PN結型硅的N型硅表面自組裝有疏水有機硅烷層，所述疏水有機硅烷層上沉積有親水鋁氧化物層；由此構建兩性薄膜保護的PN結型硅電極。

進一步地，所述疏水有機硅烷層的厚度為3-30nm，所述親水鋁氧化物層的厚度為2-10nm。

根據本發明的另一個方面，提供了一種所述PN結型硅電極的制備方法，該方法按照以下步驟進行：

(1)將有機硅烷前驅體、水、有機溶劑配置成體積分數為2％-40％的有機硅烷前驅體溶液，并且分散均勻；

(2)將步驟(1)得到的有機硅烷前驅體溶液旋涂在所述PN結型硅的N型硅表面；

(3)將步驟(2)得到的電極在30-200℃條件下加熱至完全干燥，實現疏水有機硅烷層的自組裝；

(4)在步驟(3)得到的疏水有機硅烷層表面沉積親水鋁氧化物層。

進一步地，步驟(1)之前除去所述PN結型硅的N型硅表面自氧化產生的SiO₂。

進一步地，步驟(1)中的所述有機硅烷為十八烷基三甲氧基硅烷，所述有機溶劑為乙醇。

進一步地，步驟(2)中所述旋涂的速度為500-6500rpm/s。