[发明专利]氧化铁光电极的表面钝化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化铁光电极的表面钝化方法。

背景技术

太阳能是一种取之不尽，用之不竭，能量巨大的自然资源，每一小时太阳照射到地球的能量足够人类使用整整一年。直接利用太阳光获得能源是一个令人向往的得到清洁能源的方法，其对环境的影响微乎其微。随着世界各国对碳减排的关注，太阳能发电——光伏技术（photovoltaic, PV）——作为一种比较成熟的获得清洁能源的方法正受到越来越多的重视。然而，与其它发电技术相比，即使太阳能电池以70%的理论效率运行，其现在发电的成本依然高昂。另外，光伏发电只解决了太阳能利用中的捕获问题，太阳能储存的问题并未解决。因为每一天中日照会有变化和起伏，当太阳光照不足时，太阳能发电便会受到影响。所以如果没有一种有效而便宜的太阳能储存方法，便不能充分的利用太阳能。所以对太阳能的利用除了要关注如何降低光伏制造成本，还要关注如何有效的把太阳能转化和储存起来。

光电化学电池（photoelectrochemical cells, PEC）是一种利用湿化学方法，模拟自然界中植物的光合作用，将太阳能直接转化成化学能（氢能）的系统，它利用半导体和电解液的直接接触形成的固体/液体结（semiconductor-liquid junction, SCLJ）来达到太阳能转化和储存的目的。这种固体/液体结具有以下优势：（1）与固态p-n结相比，只需要把半导体直接插入电解液中就可以形成用来分离光生电子空穴对的固体/液体结，因此半导体可以选用更加便宜的多晶样品，制备工艺也大大简化；（2）由于是固相-液相结具有自由的“理想”结构，不存在由于两个相接触的固相晶格的不匹配而引起的机械应力的缺点，从而大大降低了自由载流子在界面的复合速度，提高了转换效率。

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。理想的光电极材料要具有合适的带隙（能吸收大部分太阳光）、耐光腐蚀性、廉价等优点。氧化铁（本发明中所提到的氧化铁均为α-Fe₂O₃）是一个优秀的能够同时满足上述三个条件的半导体光电极材料。当然，氧化铁本身有诸多不足，如导电性差，表面复合率高等。针对其导电性差的缺点，通常通过掺杂其它离子来改善。到目前为止，Si⁴⁺和Ti⁴⁺被认为是较为有效的掺杂离子。我们之前提出了通过离子半径的匹配关系，将Si⁴⁺和Ti⁴⁺同时掺杂到氧化铁中以进一步提高其载流子浓度和光电化学性能的方法【M. Zhang, W. Luo, Z. Li, Y. Tao and Z. Zou, Appl. Phys. Lett. 97, 042105 (2010) 】。针对氧化铁表面复合率高的缺点，通常通过表面钝化来解决。本发明旨在通过电化学表面处理的方法，达到氧化铁表面钝化的目的，部分消除其表面的悬挂键和氧缺陷等陷进态，以期降低表面复合率，提高光电转化效率。本发明以未掺杂的氧化铁光电极为例，进行电化学表面处理。

发明内容

本发明目的是，提供一种氧化铁光电极的表面钝化方法，可大幅提高其IPCE（量子转换效率）。

所述氧化铁薄膜材料光电极的表面钝化方法为：把氧化铁薄膜材料光电极作为阳极，浸在饱和NaCl的水溶液中，在强光照条件下，扫描其光电流-时间曲线。所述氧化铁光电极的厚度为400-500 nm。处理时间为2小时-10小时。室温条件可以，最好以20-35℃。

所述的氧化铁薄膜材料光电极光薄膜由超声喷雾热解（USP）工艺制备得到。具体步骤为：以0.02 M的乙酰丙酮铁的酒精溶液为前驱液，用超声雾化器雾化，以压缩空气为载气，喷入已经加热的石英管中，沉积在放置在石英管内的导电玻璃衬底上。沉积温度500-550℃。

本发明通过对氧化铁薄膜材料进行电化学表面处理后，将其用于太阳能分解水产氢。处理后的氧化铁薄膜光电极的光电流大幅增加，为处理前的近6倍，在365 nm波长和      1.23 V vs. RHE（reversible hydrogen electrode）偏压下的IPCE值达到13%。

本发明的优点有益效果是：处理氧化铁光电极的表面钝化方法简单、高效，设备简单，易于大规模使用，表面处理后光电极量子转换效率大幅提高。

附图说明