[發明專利]一種基于InGaN/有機異質結構光電極材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202210105589.6
• 申請日: 2022-01-28
• 公開（公告）號: CN114540875B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 李國強;謝少華;劉乾湖;梁杰輝
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C25B11/095
• 分類號: C25B11/095;C25B11/059;C25B11/054;C25B1/04;C25B1/55;C30B29/40;C30B29/66;C30B25/18
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 鐘燕瓊

本發明公開了一種基于InGaN/有機異質結構光電極材料及其制備方法與應用。該光電極材料包括Si襯底、所述Si襯底上設置的InGaN納米柱、所述InGaN納米柱上表面設置的有機材料層；所述有機材料層為非富勒烯材料層。本發明使用有機材料IT?4F不僅拓寬了光電極材料的吸收光譜范圍，有效鈍化表面電荷復合，同時與InGaN納米柱形成異質結構促進了電荷載流子的解離、傳輸及其在電極/電解液界面發生還原反應，大大提高了光電轉換效率，從而有利于實現無偏壓下光電化學水分解制氫，為高效利用太陽能轉換為氫能提供了有效策略。

技術領域

本發明涉及InGaN納米柱領域，特別涉及一種基于InGaN/有機異質結構光電極材料及其制備方法與應用。

背景技術

無偏壓下光電化學水分解制氫在解決全球能源危機和環境問題方面顯示出巨大的潛力。InGaN納米柱帶隙可調(E_g為0.65eV～3.4eV)，可通過調控銦組分來調節光吸收，從而成為光電極的理想候選者。而且，InGaN納米柱具有適合水氧化還原反應的能帶位置，較長的電荷擴散距離，較高的電子遷移率、高的比表面積以及杰出的理論太陽能轉換氫能(STH)效率(～27％)，使得InGaN納米柱有利于光電化學全水分解。但InGaN納米柱的體相和表面電荷快速復合以及緩慢的氧化反應動力學等問題，需要外置偏壓來促進電荷傳輸。因此，開發基于InGaN納米柱在無偏壓下光電化學制氫體系具有重要的研究意義。

常見的有機材料主要是導電聚合物、富勒烯以及非富勒烯材料，由于制備成本低、重量輕、來源豐富、溶液加工性優異、可加工成柔性大面積器件，成為光電材料器件領域的一大研究熱點。近年來，隨著非富勒烯材料的迅速發展，基于非富勒烯的各類光電器件性能優異。因此，構筑基于非富勒烯材料的光電化學電池也是進一步提升光電轉化性能的又一種新型途徑。而且，由于InGaN納米柱存在表面電荷快速復合的問題，因此，構建InGaN納米柱/有機異質結構光電極結構，有利于拓寬吸收光譜、促進電荷載流子的傳輸，從而為構建無偏壓的光電化學制氫體系提供了一條新型的途徑。而且，有機材料可以附著在InGaN納米柱表面上，有利于消除InGaN納米柱的表面態，同時有利于電子從InGaN納米柱轉移到有機材料，實現在有機材料/電解液界面的還原反應。此外，InGaN納米柱與有機材料的吸收光譜互補，能級匹配，有利于形成較好的電子傳輸通道，從而實現無偏壓下的光電化學制氫過程。因此，基于InGaN/有機異質結構光電極材料的構建為高效利用太陽能轉換為氫能提供了有效策略。

發明內容

本發明的目的在于針對InGaN納米柱表面電荷快速復合的不足，提供一種基于InGaN/有機異質結構光電極材料及其制備方法與應用。本發明使用有機異質結不僅拓寬了吸收光譜的范圍，同時有利于光生載流子的解離及傳輸，大幅度提高納米柱的光電性能，從而實現無偏壓光電化學水分解制氫。

本發明的目的通過以下技術方案實現。

一種基于InGaN/有機異質結構光電極材料，包括Si襯底、所述Si襯底上設置的InGaN納米柱、所述InGaN納米柱上表面設置的有機材料層；所述有機材料層為非富勒烯材料層。

優選的，所述有機材料為IT-4F，結構式如下：

優選的，所述InGaN納米柱中In原子在金屬原子中所占的比例為5％～30％，納米柱的高度為100～600nm，直徑為50～100nm，密度為100～300μm^-2；所述金屬原子包括In和Ga。

優選的，所述Si襯底為超低阻硅，電阻率小于1Ω·cm。

制備以上任一項所述的一種基于InGaN/有機異質結構光電極材料的方法，包括以下步驟：

(1)采用分子束外延生長工藝在Si襯底上生長InGaN納米柱；