[发明专利]一种基于InN/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InN/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InN纳米柱、所述InN纳米柱上设置的有机材料层；所述有机材料层为聚合物材料层。本发明使用有机材料PM6不仅拓宽了光电极材料的吸收光谱范围，同时与InN纳米柱形成Z型异质结构，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，从而有利于实现在一定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InN纳米柱领域，特别涉及一种基于InN/有机异质结构光电极材料及其制备方法与应用。

背景技术

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。InN纳米柱具有较窄的带隙(E_g为0.65eV)，其价带顶跨过水氧化电位的能带位置，是较为理想的光阳极材料。同时，InN纳米柱具有高的比表面积，使其有望用于高效光电化学水分解。然而，InN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，导致需要额外的偏压来促进电荷转移。如今，构建半导体异质结构调节异质结的能带被认为是促进体电荷和表面电荷分离的最有效方法之一。特别是将具有优异水氧化或还原能力的半导体耦合形成异质结构能活化两种半导体的电子和空穴，能显示出其在水分解的独特优势。因此，开发基于InN纳米柱在一定偏压下的光电化学制氢体系具有重要的研究意义。

由于有机材料的制备成本低、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。因此，构筑基于有机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InN纳米柱存在表面电荷快速复合的问题，因此，构建InN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InN纳米柱表面上，有利于消除InN纳米柱的表面态，同时有利于电子从InN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，InN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，从而实现光电化学制氢过程。因此，基于InN/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InN纳米柱表面电荷快速复合的不足，提供一种基于InN/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InN/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InN纳米柱、所述InN纳米柱上设置的有机材料层。

优选的，所述有机材料层的材料为PM6。

优选的，所述PM6的结构式如下：

其中，n为15～30。

优选的，所述InN纳米柱的高度为150～500nm，直径为60～100nm，密度为150～200μm^-2。

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InN/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InN纳米柱；

(2)通过旋涂的方式在所述InN纳米柱上沉积有机材料层；其中，旋涂条件为：有机材料溶液的浓度为5～25mg/mL，转速为3000～5000r/min，时间为30～45s，退火温度为90～100℃，退火时间为10～15min。

优选的，有机材料溶液的浓度为10-20mg/mL。