Cu2O薄膜同質(zhì)結(jié)及n-Cu2O-p-Cu2O納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備與光電化學(xué)性能研究.pdf

1、當(dāng)今社會，能源危機日益嚴(yán)重，霧霾的大面積出現(xiàn)也使得傳統(tǒng)能源的使用受到越來越多的質(zhì)疑，為了應(yīng)對能源危機和傳統(tǒng)石化能源引起的環(huán)境污染問題，清潔、可再生的新能源技術(shù)的研究與開發(fā)迫在眉睫。在這一背景下，太陽能和氫能作為綠色無污染的新能源受到了廣泛關(guān)注。而光電化學(xué)分解水制氫技術(shù)將太陽能的利用與氫的制取結(jié)合在一起，相比于傳統(tǒng)的電分解水制氫具有更加廉價、更加節(jié)省成本的優(yōu)勢。氧化亞銅(Cu2O)是一種p型直接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度約2.0 eV，有利于可

2、見光吸收利用，其理論光電轉(zhuǎn)化效率為18％，并且Cu2O材料的導(dǎo)帶位置非常利于還原H2O制取H2，因此Cu2O作為光電化學(xué)分解水的光陰極材料具有巨大潛力。但是Cu2O的少子擴散長度僅為20～100 nm，使得光生載流子易發(fā)生復(fù)合，這是限制Cu2O光電化學(xué)性能提高的阻礙之一。為了解決這一問題，研究者們往往使用將本征n型的半導(dǎo)體材料與Cu2O構(gòu)建異質(zhì)結(jié)的方法，以提高載流子的分離轉(zhuǎn)移效率，改善Cu2O的光電化學(xué)性能。由于過去制備n型Cu2O薄膜

3、的手段非常有限，以往的研究工作中關(guān)于p-n Cu2O同質(zhì)結(jié)的相關(guān)報導(dǎo)并不多。2009年McShane等通過酸性電解液體系，采用電化學(xué)沉積法成功生長了n型Cu2O薄膜，之后許多課題組都開展了電化學(xué)沉積Cu2O同質(zhì)結(jié)的相關(guān)研究，Cu2O同質(zhì)結(jié)成為當(dāng)前研究熱點之一，被認(rèn)為在提高Cu2O材料光伏性能和光電化學(xué)性能方面極具潛力。目前Cu2O同質(zhì)結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到1.06％，而Cu2O同質(zhì)結(jié)在光電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究卻尚未得到足夠的關(guān)注。<

4、br>　　本論文對p-n Cu2O復(fù)合結(jié)構(gòu)光電極的光電化學(xué)性能進(jìn)行了探索，制備了兩種結(jié)構(gòu)的p-n Cu2O復(fù)合光電極:Cu2O薄膜同質(zhì)結(jié)光電極和Pt/n-Cu2O/p-Cu2O納米復(fù)合結(jié)構(gòu)光電極。并通過研究生長參數(shù)對Cu2O光電極形貌結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、光電化學(xué)性能等方面的影響，優(yōu)化制備條件提高p-n Cu2O復(fù)合結(jié)構(gòu)光電極的光電化學(xué)分解水能力。本工作中，材料的光電化學(xué)性能均使用光電流進(jìn)行表征，光電流測試電壓為0 V vs.NHE（Norm

5、al Hydrogen Electrode，標(biāo)準(zhǔn)氫電極）。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)利用電化學(xué)沉積方法制備了p型Cu2O薄膜，研究了沉積參數(shù)對p-Cu2O薄膜形貌結(jié)構(gòu)、載流子濃度、能帶結(jié)構(gòu)以及光電化學(xué)性能的影響，確定p-Cu2O薄膜光電化學(xué)性能最佳時的制備參數(shù)。制備的p-Cu2O薄膜在0 Vvs.NHE電位下光電流密度為-0.1 mA·cm-2。
　　(2)探索電沉積n型Cu2O薄膜的制備參數(shù)，并在光電化學(xué)性能最佳的p-

6、Cu2O薄膜上電化學(xué)沉積n-Cu2O層制備Cu2O薄膜同質(zhì)結(jié)，研究生長參數(shù)對Cu2O薄膜同質(zhì)結(jié)光電化學(xué)性能的影響。生長參數(shù)優(yōu)化后制備的Cu2O薄膜同質(zhì)結(jié)光電化學(xué)性能良好，在0 V vs.NHE電位下的光電流密度為-0.5 mA· cm-2，是純p-Cu2O薄膜的5倍。
　　(3)以Cu(OH)2納米結(jié)構(gòu)薄膜作為前驅(qū)體，通過熱分解方法制備p-Cu2O納米結(jié)構(gòu)薄膜，在p-Cu2O納米薄膜上電沉積n-Cu2O顆粒制備n-Cu2O/p-C

7、u2O納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜光電極，研究前驅(qū)體制備參數(shù)、前驅(qū)體退火條件、n型Cu2O沉積時間等條件對n-Cu2O/p-Cu2O納米復(fù)合結(jié)構(gòu)光電極的光電化學(xué)性能的影響，優(yōu)化生長條件，并通過修飾金屬Pt來進(jìn)一步提高n-Cu2O/p-Cu2O納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的光電化學(xué)性能，優(yōu)化后的Pt/n-Cu2O/p-Cu2O復(fù)合結(jié)構(gòu)光電極在0 V vs.NHE電位下的光電流密度達(dá)到-0.6 mA·cm-2，光電化學(xué)性能優(yōu)于前面制備的p-Cu2O薄膜和Cu2O同