铜锌锡硫基光电阴极的制备及其光电化学性能的研究

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1、铜锌锡硫基光电阴极的制备及其光电化学性能的研究PreparationandPhotoelectrochemicalPerformanceofCu2ZnSnS4-basedPhotocathodes领域：材料工程研究生：张远方指导教师：叶金花教授欧阳述昕副教授企业导师：张卫卫高工天津大学材料科学与工程学院二零一五年十二月摘要光电化学催化是一种高效的、有潜力的催化技术，可以应用于水分解产氢、CO2还原以及太阳能发电等领域，具有绿色、环保无污染等优点。光电极是光电化学催化的重要组成部分，因此寻找合适的电极材料以及制备高性能的光电极是实现光电化学催化应用的基础。铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4，C

2、ZTS）是一种典型的p45-1型半导体，带隙为1.5eV，吸光系数为10-10cm，且合成CZTS所需的各种元素在地球中含量丰富、低毒无污染，因此是一种理想的光电阴极材料。然而，CZTS在合成过程中自身的分解、元素挥发以及光生载流子复合率高等问题抑制了CZTS光电阴极的光电化学性能的提高。本文基于上述两种问题，分别设计了不同的解决方案：（1）在一种半封闭的合成体系中，通过适当提高S分压来抑制CZTS的分解和元素挥发；（2）采用成分偏析原位合成法制备了p-p型CZTS-SnS异质结，通过控制光生载流子的定向移动实现电子-空穴对的高效分离。主要结果如下：1、基于硫分压调控的高性能CZTS光

3、电阴极的制备及其光电化学性能的研究：采用简单的电化学沉积金属前驱体后硫化的方法成功在FTO导电玻璃上制备了CZTS光电阴极，通过调控硫化过程中反应体系窗口的大小控制反应S分压大小，并在三种不同的S分压条件下分别合成样品。XRD、Raman、紫外-可见-近红外光谱、SEM测试结果显示，在不同窗口大小条件下合成的CZTS光电阴极没有明显差异；光电化学性能测试表明，样品CZTS-WS1表现出最好的光电2化学性能，在-0.50VvsAg/AgCl条件下，光电流密度可达1.8mA/cm，并且具有良好的稳定性，IPCE在可见光区可稳定在4%–7%；通过对样品元素含量的分析，我们将CZTS-WS1光

4、电化学性能提升的原因归结为：①硫分压的增大可以抑制CZTS分解反应的发生，从而抑制Sn元素的挥发，并增加S元素的渗入，保证CZTS元素化学计量比准确；②CZTS-WS1为富锌贫铜的状态。2、成分偏析原位合成法制备p-p型CZTS-SnS异质结及其光电化学性能的研究：采用成分偏析原位合成法在FTO导电玻璃上成功制备出CZTS-SnS，即通过电沉积稍过量的Sn元素而在硫化过程中实现SnS相对CZTS的偏析原位合成CZTS-SnS异质结。XRD、紫外-可见-近红外吸收光谱测试结果显示，样品中确实含有少量的SnS，表明形成了CZTS-SnS异质结；SEM测试结果显示，少量SnS的加入会使得CZ

5、TS的粒径减小，但对薄膜厚度没有影响；光电化学性能测试表明，样品CZTS-SnS表现出良好的光电化学性能，在-0.50VvsAg/AgCl条2件下，光电流密度可达3.6mA/cm，是CZTS-WS1的2倍，IPCE在紫外-可见光区可稳定在8%–15%；通过对样品进行电化学阻抗谱的测试，发现CZTS-SnS的尼奎斯特半径明显小于CZTS-WS1，证明CZTS-SnS异质结的形成加速了光生电子和空穴的分离，这也是CZTS-SnS光电化学性能明显提高的原因。关键词：光电极材料，光电化学催化，CZTS光电阴极，硫分压，CZTS-SnS异质结，成分偏析AbstractPhotoelectroch

6、emicalcatalysisisakindofefficientandpotentialcatalytictechnique,whichcanbeusedinthefieldsofH2evolutionfromwatersplitting,reductionofCO2andsolarcell.Itpossessesenvironmentally-friendlyfeature.Photoelectrodeisthemaincomponentofreactionsystemforphotoelectrochemicalcatalysis,andthus,searchingsuitabl

7、eelectrodematerialsandfabricatinghigh-performanceelectrodesareprerequisitestoachievepracticalapplicationofthistechnique.Cu2ZnSnS4(CZTS)isatypicalp-typesemiconductorandanidealphotocathodematerialbecauseofitsproperbandgapof1.5