[发明专利]一种可见光铟镓氮基光电化学电池及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体光电化学电池，尤其是涉及一种高效的稳定的可见光响应的光电化学电池及制备方法。 

背景技术

能源问题是人类面临的主要难题之一，如何解决这一难题给人类提出了巨大挑战。这一问题在中国则显得尤为突出，国家也制定相关的政策法规大力发展可再生能源，尤其是太阳能的利用。传统的p-n结光伏电池已经在太阳能利用方面起到了越来越重要的作用，然而其制造成本较高成为其大规模应用的主要障碍。光电化学电池是二十世纪七十年代发展起来的一种新型电池。它可以直接利用太阳光分解水产生氢气，用来替代日益枯竭的化石能源，并且也不会给环境带来任何污染。因此，它为我们提供了一种利用太阳能的新途径。更重要的是，与常规的半导体p-n结的工作原理不同，这类电池的半导体电极材料与电解液直接接触，不需要材料具有很完整的晶体周期性和复杂的n、p型掺杂工艺，这样就可以大大降低制造成本，更有利于大规模制造和应用。 

光电极的研究虽然已经有三十多年，然而大部分的工作都集中在氧化物半导体光电极上，因为其制备简单，在电解液中稳定。其中研究最多的又是TiO₂[A.Fujishima andK.Honda，Nature238，38(1972)]，WO₃，Fe₂O₃，通过工艺优化，离子掺杂，以及纳米化等手段，其光电转化效率已经接近这些材料的理论极限，但由于带隙太宽而不能吸收太阳光中的大部分可见光，导致其太阳能转化效率依然很低。同时其他的窄带隙半导体(CdX(X＝S，Se，Te)[S.K.Haram andA.J.Bard，J.Phys.Chem.B105，8192(2001)]，WS₂，FeS₂，CuInSe₂，CuInS₂，GaAs，InP，GaInP₂等)也已经被大量研究，其太阳能转化效率虽然较高，但在电解液中的稳定性差，容易发生光腐蚀，降低了使用寿命。因此，寻找高效稳定的新材料成为这一领域的重要发展方向。2000年以来，国际上已经开始注意到氮化物半导体材料在光电极方面的应用潜力，它的稳定，无毒等特点，因此可能将成为这一领域的一个研究热点[T.Lindgren，M.Larsson，S.E.Lindquist，Solar Energy Materials&Solar Cells73，377(2002)]。 

InGaN合金半导体材料的带隙从红外0.7eV延伸至近紫外3.4eV，几乎完全覆盖太阳光谱范围[J.Wu，W.Walukiewicz，K.M.Yu，W.Shan，J.W.Ager III，E.E.Haller，H.Lu，W.J.Schaff，W K.Metzger，and S.Kurtz，J.Appl.Phys.94，6477(2003)]，相较于氧化物可能得到更高的光电转换效率，同时、相较于II-V族半导体和As、P基三族化合物半导体，具有更稳定无毒的特点，因此尤为适合作为光电化学电池的电极材料。但由于三族氮化物光电极制备困难，因此，在国际上鲜有关于其光电转化性质的报道。最近，Luo和Liu等人在InGaN基光电化学电池研究方面取得了进展，在可见光辐照下获得了稳定的光电转换[W.J.Luo，B.Liu，Z.S.Li，Z.L.Xie，D.J.Chen，Z.G.Zou，andR.Zhang，Appl.Phys.Lett.92，262110(2008)]。本发明旨在利用先进的金属有机物化学汽相淀积方法(MOCVD)制备InGaN基光电极，研究光电化学性质，为实现高效太阳 能光电化学电池提供创新思路和技术途径。 

发明内容

本发明的目的是：提供一种高效稳定可见光响应的光电化学电池，尤其是采用InGaN合金作为光吸收有源层的电池器件结构和制备方法。