[发明专利]一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用。该光电极材料包括Si衬底、所述Si衬底上设置的InGaN纳米柱、所述InGaN纳米柱上表面设置的有机材料层；所述有机材料层为非富勒烯材料层。本发明使用有机材料IT‑4F不仅拓宽了光电极材料的吸收光谱范围，有效钝化表面电荷复合，同时与InGaN纳米柱形成异质结构促进了电荷载流子的解离、传输及其在电极/电解液界面发生还原反应，大大提高了光电转换效率，从而有利于实现无偏压下光电化学水分解制氢，为高效利用太阳能转换为氢能提供了有效策略。

技术领域

本发明涉及InGaN纳米柱领域，特别涉及一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用。

背景技术

无偏压下光电化学水分解制氢在解决全球能源危机和环境问题方面显示出巨大的潜力。InGaN纳米柱带隙可调(E_g为0.65eV～3.4eV)，可通过调控铟组分来调节光吸收，从而成为光电极的理想候选者。而且，InGaN纳米柱具有适合水氧化还原反应的能带位置，较长的电荷扩散距离，较高的电子迁移率、高的比表面积以及杰出的理论太阳能转换氢能(STH)效率(～27％)，使得InGaN纳米柱有利于光电化学全水分解。但InGaN纳米柱的体相和表面电荷快速复合以及缓慢的氧化反应动力学等问题，需要外置偏压来促进电荷传输。因此，开发基于InGaN纳米柱在无偏压下光电化学制氢体系具有重要的研究意义。

常见的有机材料主要是导电聚合物、富勒烯以及非富勒烯材料，由于制备成本低、重量轻、来源丰富、溶液加工性优异、可加工成柔性大面积器件，成为光电材料器件领域的一大研究热点。近年来，随着非富勒烯材料的迅速发展，基于非富勒烯的各类光电器件性能优异。因此，构筑基于非富勒烯材料的光电化学电池也是进一步提升光电转化性能的又一种新型途径。而且，由于InGaN纳米柱存在表面电荷快速复合的问题，因此，构建InGaN纳米柱/有机异质结构光电极结构，有利于拓宽吸收光谱、促进电荷载流子的传输，从而为构建无偏压的光电化学制氢体系提供了一条新型的途径。而且，有机材料可以附着在InGaN纳米柱表面上，有利于消除InGaN纳米柱的表面态，同时有利于电子从InGaN纳米柱转移到有机材料，实现在有机材料/电解液界面的还原反应。此外，InGaN纳米柱与有机材料的吸收光谱互补，能级匹配，有利于形成较好的电子传输通道，从而实现无偏压下的光电化学制氢过程。因此，基于InGaN/有机异质结构光电极材料的构建为高效利用太阳能转换为氢能提供了有效策略。

发明内容

本发明的目的在于针对InGaN纳米柱表面电荷快速复合的不足，提供一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用。本发明使用有机异质结不仅拓宽了吸收光谱的范围，同时有利于光生载流子的解离及传输，大幅度提高纳米柱的光电性能，从而实现无偏压光电化学水分解制氢。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料，包括Si衬底、所述Si衬底上设置的InGaN纳米柱、所述InGaN纳米柱上表面设置的有机材料层；所述有机材料层为非富勒烯材料层。

优选的，所述有机材料为IT-4F，结构式如下：

优选的，所述InGaN纳米柱中In原子在金属原子中所占的比例为5％～30％，纳米柱的高度为100～600nm，直径为50～100nm，密度为100～300μm^-2；所述金属原子包括In和Ga。

优选的，所述Si衬底为超低阻硅，电阻率小于1Ω·cm。

制备以上任一项所述的一种基于InGaN/有机异质结构光电极材料的方法，包括以下步骤：

(1)采用分子束外延生长工艺在Si衬底上生长InGaN纳米柱；