pn结在复合光阴极中的应用

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1、万方数据第28卷第2期2007年4月发光学报CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCEVoL28No．2Apr．，2007文章编号：1000-7032(2007)02-0269-04p-n结在复合光阴极中的应用刘礼飞1，李国强1’2，李朝升1’2’3，于涛1’¨，邹志刚1’2’3(1．南京大学物理系环境材料与再生能源研究中心；2．南京大学材料科学与工程系；3．南京大学固体微结构物理国家重点实验室，江苏南京210093)摘要：作为光电化学系统的重要组成部分之一，光电极应该具有较好的光电流响应，以及在水溶液中稳定的特性。分别以醋酸镍、钛酸四丁酯作为NiO、TiO：溶

2、胶的前驱体，利用溶胶一凝胶法制备了单质P型NiO及p-n结型复合光阴极NiO-TiO：。复合光阴极的SEM截面形貌显示NiO层和Ti02层的厚度分别为200，130nm。光电化学表征结果表明，NiO-TiO：复合光阴极的阴极光电流优于单质NiO电极的阴极光电流，并且其平带电势与单质NiO电极相比发生正向移动，这些现象都是由p-n结的内建电场引起的。关键词：p-n结；光阴极；光电化学；光电流中图分类号：0472．8PACC：8630K文献标识码：A1引言随着社会的发展，化石能源的大量消耗，人类面临日益严峻的能源危机。1972年Fujishima和Honda发现在紫外光的照射下，

3、由TiO：及铂金电极组成的光电化学转换系统能够实现分解水制氢⋯。此后，人们开始关注在该系统中如何实现将低密度的太阳能转化为高密度的氢能，从而探索解决能源问题的途径。该光电化学系统工作的主要原理是：半导体与电解液接触并形成固液结，其电场可以有效地分离由光激发产生的电子空穴对。分离后的光生电子可以将溶液中的氢离子还原成氢气，而空穴可以将氢氧根离子氧化成氧气旧镅J。其中的TiO：半导体层通常被称为光电极。1980年，Butler等人详细地讨论了理想光电极应满足的三个标准：高的量子效率，合适的电势行为，良好的稳定性‘2

4、。我们曾利用P型氧化物半导体(NiO、CuO等)制备光阴极进行研

5、究，但是发现单一成分的光阴极其量子效率较低。因此，我们设想利用P—n结的内建电场来加速光电极上光生电子空穴对的分离，从而达到提高光阴极量子效率的目的。另一方面Bard提出：作为光阴极，要求其平带电势应处于标准氢电位(NHE)以上尽可能高的位置，而氧化还原电势则处于NHE的下方尽可能低的位置∞'4J。所以我们希望通过将n型氧化物半导体覆盖在光阴极的表面，利用它们的正向内建电场实现光阴极平带电势的正移。而相对稳定的n型氧化物半导体层还可以起到保护P型半导体光阴极的作用，Siripala就是利用此方法有效地保护Cu：O电极不被溶液腐蚀【9J。文本利用溶胶一凝胶法分别制备NiO，Ni

6、O—TiO：薄膜，并对其进行光电化学性能表征，将两者结果进行了比较，同时着重讨论了p-n结内建电场对结果的影响。2实验称取醋酸镍[Ni(CH3COO)2·4H20]2．986g，加入无水乙醇溶剂40mL。超声、搅拌直到完全溶解，所得溶液Ni2+的浓度为0．3mol／L；并加入少量的氨水，得到绿色澄清的NiO溶胶。而TiO：溶胶则是将钛酸四丁酯[c，。H，。O。Ti]、盐酸及乙醇以17：1：110体积比混合、搅拌后得到。选择透明导电玻璃SnO：：F(Fro)作为衬底，收稿日期：2006-08-05；修订日期：2006-08—18基金项目：国家自然科学基金(20373025，20

7、528302)；江苏省自然科学基金(BK2006718，BK2006127)；教育部留学回国人员科研启动基金(2005383)资助项目作者简介：刘礼飞(1985一)，男，江苏淮安人，在读硕士研究生，主要从事氧化物p-n结型光电极的设计、制备和光电性能的研究。}：通讯联系人；E—mail：yutao@nju．edu．cn，Tel：(025)83686304-806万方数据发光学报第28卷用匀胶机(MIKASA1H—D7)将溶胶均匀地涂覆在衬底的表面，在60℃下烘干，放人马弗炉(MuffleFurnaceFol00)中，300℃保温3h，除去有机物；随后在450oC下焙烧3h得到

8、单质NiO电极与NiO—TiO：复合光电极。并对其进行相关结构、性能表征。利用日本理学Rigaku公司的Max-UltimamX射线衍射仪对样品进行物相分析，利用扫描电图2FrO．NiO．TiO：复合光电极的SEM，(a)表面形貌；子显微镜(GerminiLE01530VP)观察样品的显微(b)截面形貌形貌。光电化学测试平台为三电极电化学仪测量Fig．2SEMimagesofFrO．NiO．TiO，junction．(a)Top系统(上海辰华CHl600B)，其中对电极为Pt电view；(b)cross