高效稳定硅基光解水光电极的研究
发布时间：2021-11-04 00:54
将半导体作为光电极用于光电化学（PEC）分解水制氢被广泛认为是最有希望解决能源危机和环境问题的途径之一。硅（Si）,由于其接近理想的能带结构、优异的电荷载流子传输性质和较低的制备成本,是一种光电极材料的合适候选者,但目前Si基光电极的实际PEC分解水效率和稳定性远远不能满足太阳能制氢的实际需要。本论文介绍了 Si光电极的效率和稳定性的定义和研究进展,然后提出了高效稳定Si光电极的几种途径,包括表面微纳结构设计,保护层制备,催化剂修饰和系统的集成。基于这些设计和实验研究,最终实现了 Si基光电极的无辅助太阳能分解水系统。主要工作如下:（1）使用大气等离子体氧化法在Pt修饰的多晶n+p-Si光阴极上制备SiO2保护层。Pt保持与Si直接接触,同时Si表面其他部分被SiO2层钝化,使得表面载流子寿命增加,伴随着电极/电解质界面上电荷分离和转移的增强。与未经过处理的Si光阴极相比,经过等离子体氧化处理的Pt/n+p-Si光阴极的能量转换效率（η）从6.2%增加到8.9%,并且其稳定性从小于1小时提高到22小时。相应的结果已发表在 Applied Physics Letters 109（2016...
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１?（ａ）光阴极的稳定性随着其广从导带最小值（ＣＢＭ）．匕方向下移动到（）ＨＨ７Ｈ２）以下??的变化
第一章引言?高效稳定硅基光解水光电极的研究??能提供稳定的阴极偏压，而这种偏压恰恰对电极的稳定性至关重要［３３］。克服此难??题最直接方法是在Ｓｉ光电极与电解质接触的表面制备一层化学稳定的保护层，利??用保护层阻挡Ｓｉ表面免受反应条件的影响。该保护层必须高度稳定，但也必须具??有足够的导电性和透明性，以保持电荷快速转移和Ｓｉ电极对太阳光的高效利用［３４］。??尽管己经取得了许多进展，但在ＰＥＣ条件下制备稳定的Ｓｉ光电极仍然非常具有挑??战性。一般来说，在光照和／或黑暗下进行长时间的光电流密度随时间变化的（Ｊ－Ｔ）??测试或重复ＰＥＣ?Ｊ－Ｖ曲线测试可以研究光电极的稳定性。??１．３?Ｓｉ光电极分解水的研究策略??１．３．１表面微纳结构设计??ｍ?ｉ??图１－２不同Ｓｉ光阴极表面微纳结构的ＳＥＭ。?（ａ）微米线结构；（ｂ）纳米柱结构；（ｃ）微??金字塔结构；（ｄ）纳米黑硅结构。??ｃ－Ｓｉ导带的最小值和价带的最大值在波矢空间中位于不同的位置，表明ｃ－Ｓｉ是??间接带隙半导体。与直接带隙材料相比，ｃ－Ｓｉ的光学性质相对较差，需要至少５０??微米厚的吸收体才能获得实质的光学吸收Ｐ５，?３６］。ｃ－Ｓｉ的窄带隙允许对从紫外到??近红外波长范围内的太阳光光谱进行有效光吸收。在一个标准的太阳光照射下，其??理论最大光电流可达４４?ｍＡ／ｃｍ２。然而，平面Ｓｉ／水的界面上大约有２５％的入射可??见光被反射［１９］。与固态光伏电池中使用的结构类似，将微纳结构引入Ｓｉ光电极??表面可以增强光吸收，因此可以提高光电极的能量转换效率［３７］。如图１－２所示，??６??
高效稳定硅基光解水光电极的研究?第三章大气等离子体氧化处理对Ｓｉ光阴极特性的影响??Ｇａｓ?ｉｎｌｅｔ??＼?／?Ａｒｇｏｎ?＋?ｏｘｙｇｅｎ??Ｉ?Ｍａｔｃｈｉｎｇ??Ｂｏｘ?〒??Ｐｏｗｅｒ?０??Ｃｕｒｒｅｎｔ?Ｃｏｉｌ??ＩＰｉ??Ｐｌａｓｍａ?ｊｅｔ?］??＾－Ｓｉ??图３－２自制的大气等离子放电装置的示意图。??Ｓｉ光阴极表面的氧化处理在自制的大气等离子放电装置上进行，装置的示意??图如图３－２所示。该装置主要由电极和圆柱形石英管组成。石英管的内径和外径分??别为６?ｍｍ和８?ｍｍ。电极位于石英管的轴线上，由直径为３?ｍｍ，长度为２１５?ｍｍ??的钨棒所制成。使用同轴圆柱形不锈钢作为接地电极。大气压下的等离子体是使用??功率为２０?Ｗ的电容耦合射频（２?ＭＨｚ）放电产生的。使用的源气体为５０００?ｓｅｅｍ??的高纯度Ａｒ流和１０?ｓｅｅｍ的〇２流。??３．３实验结果与讨论??３．３．１?Ｓｉ光阴极结构和表面成分分析??Ｐｌａｓｍａ?ＳｉＯ｝／ｎ＊ｐ－Ｓｉ??－?—?Ｎａｔｉｖｅ?＾?１??图３－３不同Ｓｉ光阴极的横截面ＴＥＭ照片：（ａ）?Ｐｔ＠Ｓｉ０２／ｎ＞Ｓｉ中的Ｐｔ／Ｓｉ接触和（ｂ）?Ｐｔ／原??生Ｓｉ０２／ｎ＿ｐ－Ｓｉ中的Ｐｔ／原生Ｓｉ０２和原生Ｓｉ０２／Ｓｉ接触。（ｃ）原生ＳｉＯ：（蓝色），湿化学蚀刻处??理（紫红）以及随后经过大气等离子体氧化处理８０ｓ后的（红色）ｎ＇ｐ－Ｓｉ表面的ＸＰＳ。插图：??大气氧等离子体处理ｉｒｐ－Ｓｉ表面Ｓｉ０２层的ＴＥＭ图像。在ＴＥＭ样品制备前先溅射一层薄的??Ｐｔ层，便于观察Ｓｉ０２层。??２７??
本文编号：3474678
【文章来源】：苏州大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１?（ａ）光阴极的稳定性随着其广从导带最小值（ＣＢＭ）．匕方向下移动到（）ＨＨ７Ｈ２）以下??的变化
第一章引言?高效稳定硅基光解水光电极的研究??能提供稳定的阴极偏压，而这种偏压恰恰对电极的稳定性至关重要［３３］。克服此难??题最直接方法是在Ｓｉ光电极与电解质接触的表面制备一层化学稳定的保护层，利??用保护层阻挡Ｓｉ表面免受反应条件的影响。该保护层必须高度稳定，但也必须具??有足够的导电性和透明性，以保持电荷快速转移和Ｓｉ电极对太阳光的高效利用［３４］。??尽管己经取得了许多进展，但在ＰＥＣ条件下制备稳定的Ｓｉ光电极仍然非常具有挑??战性。一般来说，在光照和／或黑暗下进行长时间的光电流密度随时间变化的（Ｊ－Ｔ）??测试或重复ＰＥＣ?Ｊ－Ｖ曲线测试可以研究光电极的稳定性。??１．３?Ｓｉ光电极分解水的研究策略??１．３．１表面微纳结构设计??ｍ?ｉ??图１－２不同Ｓｉ光阴极表面微纳结构的ＳＥＭ。?（ａ）微米线结构；（ｂ）纳米柱结构；（ｃ）微??金字塔结构；（ｄ）纳米黑硅结构。??ｃ－Ｓｉ导带的最小值和价带的最大值在波矢空间中位于不同的位置，表明ｃ－Ｓｉ是??间接带隙半导体。与直接带隙材料相比，ｃ－Ｓｉ的光学性质相对较差，需要至少５０??微米厚的吸收体才能获得实质的光学吸收Ｐ５，?３６］。ｃ－Ｓｉ的窄带隙允许对从紫外到??近红外波长范围内的太阳光光谱进行有效光吸收。在一个标准的太阳光照射下，其??理论最大光电流可达４４?ｍＡ／ｃｍ２。然而，平面Ｓｉ／水的界面上大约有２５％的入射可??见光被反射［１９］。与固态光伏电池中使用的结构类似，将微纳结构引入Ｓｉ光电极??表面可以增强光吸收，因此可以提高光电极的能量转换效率［３７］。如图１－２所示，??６??
高效稳定硅基光解水光电极的研究?第三章大气等离子体氧化处理对Ｓｉ光阴极特性的影响??Ｇａｓ?ｉｎｌｅｔ??＼?／?Ａｒｇｏｎ?＋?ｏｘｙｇｅｎ??Ｉ?Ｍａｔｃｈｉｎｇ??Ｂｏｘ?〒??Ｐｏｗｅｒ?０??Ｃｕｒｒｅｎｔ?Ｃｏｉｌ??ＩＰｉ??Ｐｌａｓｍａ?ｊｅｔ?］??＾－Ｓｉ??图３－２自制的大气等离子放电装置的示意图。??Ｓｉ光阴极表面的氧化处理在自制的大气等离子放电装置上进行，装置的示意??图如图３－２所示。该装置主要由电极和圆柱形石英管组成。石英管的内径和外径分??别为６?ｍｍ和８?ｍｍ。电极位于石英管的轴线上，由直径为３?ｍｍ，长度为２１５?ｍｍ??的钨棒所制成。使用同轴圆柱形不锈钢作为接地电极。大气压下的等离子体是使用??功率为２０?Ｗ的电容耦合射频（２?ＭＨｚ）放电产生的。使用的源气体为５０００?ｓｅｅｍ??的高纯度Ａｒ流和１０?ｓｅｅｍ的〇２流。??３．３实验结果与讨论??３．３．１?Ｓｉ光阴极结构和表面成分分析??Ｐｌａｓｍａ?ＳｉＯ｝／ｎ＊ｐ－Ｓｉ??－?—?Ｎａｔｉｖｅ?＾?１??图３－３不同Ｓｉ光阴极的横截面ＴＥＭ照片：（ａ）?Ｐｔ＠Ｓｉ０２／ｎ＞Ｓｉ中的Ｐｔ／Ｓｉ接触和（ｂ）?Ｐｔ／原??生Ｓｉ０２／ｎ＿ｐ－Ｓｉ中的Ｐｔ／原生Ｓｉ０２和原生Ｓｉ０２／Ｓｉ接触。（ｃ）原生ＳｉＯ：（蓝色），湿化学蚀刻处??理（紫红）以及随后经过大气等离子体氧化处理８０ｓ后的（红色）ｎ＇ｐ－Ｓｉ表面的ＸＰＳ。插图：??大气氧等离子体处理ｉｒｐ－Ｓｉ表面Ｓｉ０２层的ＴＥＭ图像。在ＴＥＭ样品制备前先溅射一层薄的??Ｐｔ层，便于观察Ｓｉ０２层。??２７??
本文编号：3474678
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3474678.html
