Ta 3 N 5 光阳极微结构调控及光电化学水分解性能研究

发布时间：2021-10-11 07:07

　　光电化学水分解可一步实现太阳能至氢能的转化,是理想的太阳能转换存储途径。光电化学水分解电池由阳极、阴极、外电路及电解液组成,其中,阳极或阴极或二者同时由具有吸收太阳光、驱动水分解反应能力的半导体材料组成。光电化学水分解电池的基本工作原理为:（1）半导体光电极吸收能量不小于其禁带宽度的光子,产生电子-空穴对;（2）电子-空穴对在半导体空间电荷层内建电场作用下分离,电子迁移至阴极-电解液界面,空穴迁移至阳极-电解液界面;（3）电子、空穴分别参与水还原反应与水氧化反应。由此可知,光电化学水分解电池的转换效率受制于光电极的光吸收效率、光生电荷分离效率与表面电荷注入效率。Ta3N5的带隙为2.1 eV,吸收带边位于590 nm,具有15.9%的理论太阳能转换效率,是理想的光阳极材料。然而,目前Ta3N5光阳极的水分解性能受限于其载流子有效质量大（其电子/空穴在kx、ky、kz方向—即a、b、c轴方向—有效质量分别为2.70 m0/3.56m0、0.211 m0/0.66 m0、0.85 m0/0.26 m0）、寿命短（<10 ps）、迁移率低（1.3-4.4cm2V-1 S-1）。针对Ta... 

【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１－２以ｎ型光阳极为主体的（ａ）ＰＶ－ＰＥＣ双光子水分解系统；（ｂ）ｐ－ｎ双光子水分解系统??的工作原理示意图

研究半导体－电解液界面的电荷传输性质。其中，半导体与电解液的界面在Ｘ＝０??点，ｘ＞０方向为半无限大的ｎ型半导体光阳极区域，而ｘ＜０方向为半无限大的??电解液区域，如图１－４。??ＲＨＥ?（Ｖ）?Ｖａｃａｕｕｍ??－４．５??????ＣＢ?．??Ｉ??！?？??Ｖ?１??Ｆ?ｆｅ—?ｅ〇／ｒ?????ＶＢ?卜??Ｉ??＜?１???ｘ＝ｏ??图一维半无限ｎ型半导体半导体－电解液结模型示意图。??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｓｅｍｉ－ｉｎｆｉｎｉｔｅ?ｎ－ｔｙｐｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ??ｊｕｎｃｔｉｏｎ?ｍｏｄｅｌ．??１．３．１半导体固－液接触??对理想的、没有表面态的均匀掺杂的ｎ型半导体光阳极，在未与电解液接触??７??

在处理含有氧化还原电对Ｏ／Ｒ的电解液时，Ｇｅｒｉｓｃｈｅｒ认为可将其视为具有??对称高斯型态密度分布的能带结构，其中电子填充部分为还原态，而电子未填充??部分为氧化态＾１７］，如图１－４。电子的费米能Ｅ＜ｙＲ为电子填充的最高能级位置，??而溶液体系的化学势ＰＱ／Ｒ与溶液费米能也相等［１８１，??Ｐ〇／Ｒ?＝?Ｅ〇／ｒ??半导体相的电子化学势与电解液电子的化学势一般不相等。当初始电中性的??ｎ型半导体光阳极与初始电中性的电解液接触时，两相处在化学势不相等的热力??学非平衡态，ｎ型半导体中的电子通常具有更高的势能。为了达到化学势的平衡，??电子会从高势能的相转移到低势能的相，在半导体一侧留下无法移动的离子实。??离子实与电子在固－液之间建立电场，电场方向从半导体指向电解液。当一定数??量的电子转移后，电场产生的电势差使两相中的电子化学势达到平衡，此时电子??的扩散与漂移达到动态平衡，不再产生净电流。在热平衡后，半导体带正电荷，??８??


本文编号：3430032