单晶硅光阴极表面改性促进光电催化分解水的研究

作     者：李鹤 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王拓

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：光电解水 单晶硅 掺杂 同质结 Ti/Pt界面 全pH 

摘      要：光电催化(PEC)分解水制氢能够利用太阳能直接生成氢气,是解决当今能源危机和环境问题十分具有前景的方案之一。P型单晶硅具有合适的能带位置、完美的晶体结构和丰富的地球储量,是光解水制氢光阴极材料的最佳选择之一。但是单晶硅在光解水制氢中面临着光生电压小、表面反应缓慢以及稳定性差的难题。因此,本论文期望构建高光生电压、低反应过电势和稳定性好的单晶硅光阴极,并且对其机理进行探究。首先,基于构建三维形貌对与硅基底光吸收的重要性,三维形貌硅基底的掺杂也成为需要关注的问题之一。旋涂后热退火是一种简单安全的单晶硅掺杂方法,而旋涂所使用的掺杂剂对光电极性能有着显著的影响。通过表征和测试,我们将掺杂剂粘度与掺杂得到的光电极性能建立起联系。低粘度掺杂剂通过旋涂能够在金字塔形貌硅基底表面均匀分布,在热退火后得到结深均匀的同质结。在电极表面均匀分布的同质结大大提高了光生电子和空穴在整个界面处的分离效率,减少了光生载流子复合,最终得到在强酸性电解质溶液中起始电位达到0.58 ***,外加偏压的太阳光到电能的转化效率(ABPE)为10.6%的pnSi/TiO/Pt光阴极。其次,尽管pnSi/TiO/Pt光阴极能够在强酸性环境中高效稳定的工作,但是这并不能满足光阴极与光阳极在同一电解质中串联全解水的最终目标。Ti/Pt界面的引入提高了 pnSi/TiO/Ti/Pt光阴极在全pH范围内的光电性能。在TiO和Pt之间引入Ti金属层,能够增加电极表面导电性,与此同时磁控溅射Pt助催化剂与Ti构建高效的Ti/Pt界面,促进了光生电子从体相到表面迁移,最终使得光生电子在Pt颗粒聚集。因此,构建得到的pnSi/TiO/Ti/Pt光阴极既保留其酸性环境中的优异反应性能,又实现了在非酸性环境中高效分解水产氢。