[发明专利]一种稳定的化合物半导体太阳光分解水产氢电子器件、电极系统及其制备方法

说明书

本发明涉及一种稳定的化合物半导体太阳光分解水产氢电子器件、电极系统及其制备方法。该太阳光分解水产氢电子器件依次包括衬底、背电极、CZTS吸收层、缓冲层、宽带隙半导体保护层以及纳米金属颗粒层，并且采用喷雾热解随后硫化退火的方法制备CZTS吸收层，采用化学水浴沉积法制备缓冲层，采用化学水浴沉积法或原子层沉积法制备宽带隙半导体保护层，其制备方法简单，并且制备出的器件结构，可以利用太阳能，在外加偏压下,即可实现高效、稳定地产生氢气。

技术领域

本发明涉及光分解水领域，具体涉及一种稳定的化合物半导体太阳光分解水产氢电子器件、电极系统及其制备方法。

背景技术

人类社会对于清洁能源的需求，随着化石燃料的消耗，变得越来越迫切。氢气作为一种热值高、绿色无污染的可再生能源也引起了诸多学者的注意。受到日本科学家Fujishima于1972年首次进行的将太阳光直接照射到TiO₂表面分解水产生氢气的启发，研究者们通过模拟自然界中光合作用系统，成功开辟出可利用可见光分解水制氢的新领域。其中利用半导体光电极材料吸光的特点而设计的半导体器件，在外加偏压下即可实现分解水产氢。但仍然存在一些材料，由于自身禁带宽度较大，对光的吸收利用率低，同时光电转换效率低，难以满足工业化生产。以TiO₂为例，由于其禁带宽度3.2eV，使其只能吸收太阳光中不足7％的紫外光，由此导致该材料的光响应能力较差，产氢效率随之下降。虽然已有研究者通过研究发现，通过将一些禁带宽度较小的半导体与TiO₂复合，诸如酞菁之类的染料与TiO₂复合后可使TiO₂的吸收边红移，拓宽其光吸收范围。但由于大多数染料敏化剂属于有机化合物，用于光分解水时自身的稳定性难以保证。还有一些光阴极材料诸如Cu₂O、CIGS等材料原材料的价格昂贵或者材料本身性质不稳定都影响其市场化应用。

而Cu₂ZnSnS₄(CZTS)薄膜太阳能电池，一种直接带隙P型半导体，禁带宽度1.45eV，与太阳光谱十分匹配，非常适合用于光照下分解水产氢，其光吸收系数超过10⁴cm^-2，理论光电转换效率高达32％，实验室报道的最大光电转换效率也已达到12.6％。在CZTS表面修饰方面CdS/CZTS异质结的能带结构引起了研究者的注意，Nagoya等用第一性原理的相关能和交换能近似计算出CdS/CZTS的异质结属于Ⅰ型异质结，导带偏移为0.2eV。因此他们认为CdS是CZTS太阳能电池最合适的缓冲层材料。况且CdS作为一种有效的光催化剂，与CZTS结合后更能有效的利用其光电流分解水产氢。

但CdS在光照下，光生电子进入外电路后，带正电荷的空穴易将其氧化为Cd²⁺，与CZTS组成的异质结变化以及自身光催化性能变差，都成为其在光分解水产氢应用中不可忽视的缺点。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点与不足，至少提供如下技术方案：

一种稳定的化合物半导体太阳光分解水产氢电子器件，其特征在于，所述太阳光分解水产氢电子器件依次包括衬底、背电极、CZTS吸收层、缓冲层、宽带隙半导体保护层以及纳米金属颗粒层。

进一步的，所述缓冲层包括CdS缓冲层，所述缓冲层的厚度为30-150nm。

进一步的，所述宽带隙半导体保护层包括ZnS层、HfO₂层或HfO₂/ZnS复合层，所述宽带隙半导体保护层的厚度为0.01-100微米。

进一步的，所述衬底为钠钙玻璃衬底，所述背电极为Mo、FTO、ITO或AZO。

进一步的，所述纳米金属颗粒层的材料为Pt或Au。

本发明还提供一种电极系统，所述电极系统采用上述太阳光分解水产氢电子器件作为工作电极，所述电极系统还包括Ag/AgCl参比电极、Pt对电极。