[发明专利]铟镓氮基光电极的表面处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铟镓氮基光电极的表面处理方法。

背景技术

能源危机是人类在现今和未来面临的巨大挑战之一。目前，化石能源是人类赖以生存的主要能源，但化石能源的储量有限，并且随着其消耗量的增加，价格也一路攀升。另外，化石能源的大量使用，会排放出CO₂、硫化物等污染物，破坏环境，危害人类健康。用可再生能源替代化石能源是解决能源、环境危机的有效途径。氢能被认为是一种理想的能源，其具有无污染、重量轻、热值高等优点。探索高效、低廉、量大的制氢方法是各国关注的热点。制氢的方法主要有裂解有机物、电解水、分解水等。其中，光电化学电池能利用无污染且资源丰富的可再生能源太阳光分解水制氢气，没有副产物，不会带来二次污染，并且投入少、还可以用于大规模开发利用，因此，被认为是最理想的制氢方法之一。运用光电化学电池分解水制氢的关键是找到合适的光电极。好的光电极材料要具有合适的带隙、高的量子转化效率、耐腐蚀性强等特点。到目前为止，能够同时满足可见光响应和光稳定性这两个条件的光电极材料少之又少。

通过调节In_xGa_1-xN合金中In的含量，可以使In_xGa_1-xN的带隙从0.7eV到3.4eV之间连续可调，其对应的吸收光谱几乎能完整的覆盖整个太阳光谱[K.Fujii，K.Kusakabe，and K.Ohkawa，Jpn.J.Appl.Phys.44，7433(2005)]，并且In_xGa_1-xN具有稳定无毒性的特点，是一种很有潜力的光电极材料。我们之前报道了In_0.20Ga_0.80N光电极在HBr水溶液中有很好的光稳定性，可以分解HBr产生氢气，并且在400～430nm波长范围的IPCE(光电转换效率)达到9％[W.Luo，B.Liu，Z.Li，Z.Xie，D.Chen，Z.Zou，and R.Zhang，Appl.Phys.Lett.92，262110(2008)]。然而，由于此光电极的In_0.20Ga_0.80N薄膜只有60nm厚，吸光较少，此时的IPCE还很低。因此，申请人把In_xGa_1-xN薄膜的厚度增加为250nm，用以吸收更多的太阳光，但是结果并不理想，IPCE仅为15％。

发明内容

本发明提供一种铟镓氮基光电极的表面处理方法，可大幅提高其IPCE。

通常来讲，In_xGa_1-xN薄膜的厚度增加会导致薄膜的分层结构，即分为不同In含量的In_xGa_1-xN层。厚的In_xGa_1-xN一般由三部分组成：表面富In层，中部的In_xGa_1-xN层，底部的In_xGa_1-xN/GaN界面层[Z.Liliental-Weber，K.M.Yu，M.Hawkridge，S.Bedair，A.E.Berman，A.Emara，D.R.Khanal，J.Wu，J.Domagala，and J.Bak-Misiuk，Phys.Status Solidi C，6，2626(2009)]。本发明的研究者认为，作为电子-空穴对的表面复合中心，位于In_xGa_1-xN光电极表面的富In层会对电极的光电化学性质起到负面的影响。本发明旨在通过电化学表面处理移除In_xGa_1-xN光电极表面的富In层，提高光电极的光电转化效率。本发明中的表面处理方法也可能有助于In_xGa_1-xN太阳电池、光探测器等光电材料性能的改进。本发明所涉及的电化学表面处理方法适用于不同In组分的In_xGa_1-xN，0＜x＜1。本发明以In_0.20Ga_0.80N光电极为例，进行电化学表面处理。

所述铟镓氮基光电极的表面处理方法为：把In_xGa_1-xN光电极作为阳极，浸在0.1～5M HCl水溶液中，在无光照条件下从0V到5V用循环伏安法扫描至少1个循环，其中0＜x＜1。