[发明专利]一种光电化学太阳能电池光电极微纳结构制造工艺

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造领域，具体地，本发明涉及一种光电化学太阳能领域微纳分级结构的制造工艺。

背景技术

当今世界，随着全球经济的迅猛发展，对能源的需求越来越大。目前全世界的能源供给主要依赖于传统的化石能源，但是化石能源储量有限，并且在燃烧利用的同时会排放温室气体、产生温室效应，造成全球气候变迁，因此，传统化石能源难以维系全球经济、社会的可持续发展。面对越来越严重的能源问题，寻求新的可替代能源，引起了当今各国政府和学术界的高度重视。氢能源作为一种典型的二次能源具有能量密度高、无毒污染、利用形式多等诸多优点，并且是燃料电池最理想的燃料，能够直接高效的转换为电能。建立以氢能源为基础的循环经济，很可能可以解决目前所面临的环境污染问题和经济可持续发展问题。

目前，光电化学太阳能电池(photoelectrochemical cell)相关研究主要分为两类：一类是将太阳能转化为电能，另一类是将太阳能转化为化学能，尤其是光解水制氢[MichaelPhotoelectrochemical cells.Nature2001,414,338-344]。面向光解水制氢的光电化学太阳能电池能够实现类似于自然界光合作用的氧化还原反应，利用太阳能分解水为氢气和氧气，将太阳能转换为存储于氢能源中的化学能，这提供了一种获得氢能源的廉价、便捷的方法。半导体光电极是光电化学太阳能电池的关键。由于对大比表面积的需求，早期对半导体光电极的研究主要集中在半导体纳米颗粒薄膜上。然而由于存在大量的晶界，载流子传输速率较慢，复合严重，严重抑制了光催化效率的进一步提升。因此，近年来一维单晶纳米材料逐渐受到研究者的重视。目前，有很多一维微纳结构光电极被开发出来，如硅微米柱阵列、氧化钛纳米线阵列等[Nicholas C.Strandwitz,et al.Photoelectrochemical Behavior of Planar and Microwire-Array Si/GaP Electrodes.Adv.Energy Mater.2012,2,1109-1116；Gongming Wang,et al.Hydrogen-Treated TiO2Nanowire Arrays for Photoelectrochemical Water Splitting.Nano Lett.2011,11,3026-3033]。但是一维微纳米材料的比表面远远低于纳米颗粒薄膜，成为一个极大的缺陷。基于微纳复合三维结构的半导体光电极相比纳米颗粒薄膜和一维纳米线阵列光电极，具有更好的光吸收，能够比较高效的实现载流子分离、收集和传输，具有更好的光电化学性能。开发出一种具有较好的光吸收特性和较高的载流子分离、收集和传输效率的基于微纳结构的光电极，是光电化学太阳能电池制造的关键和难点。

发明内容

本发明目的在于提供一种光电化学太阳能电池光电极微纳结构制造工艺，这种制造工艺基于气相或液相的从下到上生长工艺，具备工艺成本低，便于大规模生产的特点，并且以这种工艺制造的半导体光电极具有较好的光吸收特性和较高的载流子分离、收集和传输效率，为光电化学光电极微纳结构的设计与制造提供了一种新的解决方案。

依照本发明，本发明提供了一种光电化学太阳能电池光电极的制造工艺，其具体步骤包括：

S1、使用低压化学气相沉积LPCVD设备在洁净的硅片上热生长一层SiO₂薄膜；

S2、在有SiO₂层的硅片表面旋涂光刻胶并进行光刻，制备出圆孔阵列图形；

S3、使用缓冲氢氟酸溶液对暴露出的SiO₂进行刻蚀，将光刻胶上的图形转移到SiO₂层；

S4、在上述步骤所得的样品表面镀一层Cu膜；

S5、在丙酮或乙醇中进行超声，通过溶脱剥离工艺去除表面的光刻胶及光刻胶表面的Cu；

S6、利用化学气相沉积与气-液-固CVD-VLS生长工艺，以上述工艺制备的Cu为催化剂，以SiCl₄为硅源，以H₂为载气，生长Si微米线阵列；

S7、以Zn(Ac)₂溶液为前躯体利用浸涂法在Si微米线表面镀一层ZnO膜；

S8、利用水热生长工艺，以S7制备的ZnO膜为催化剂，以Zn(NO₃)/六亚甲基四胺混合溶液作为生长溶液，在Si微米线表面生长ZnO纳米线；