[发明专利]具有均匀pn同质结层的金字塔硅基光阴极及其制备方法

说明书

本发明属于光电化学池半导体电极技术领域，公开了一种具有均匀pn同质结层的金字塔硅基光阴极及其制备方法，在金字塔形貌p型硅基底扩散有均匀的pn同质结层，pn同质结层上原子层沉积有二氧化钛保护层，在二氧化钛保护层上光电沉积有铂纳米颗粒作为催化剂；其制备方法主要由硅片基底金字塔形貌蚀刻、表面清洗、旋涂和高温扩散、二氧化钛层沉积、铂催化剂负载五步构成。本发明有效实现了在金字塔形貌硅基底上制备均匀的pn同质结层，提高了光生电压和稳定性；制备方法操作过程安全简单，原料廉价易得，光电催化性能稳定，重复性好。

技术领域

本发明属于光电化学池半导体电极技术领域，具体来说，是涉及一种具有均匀pn同质结层的金字塔硅基光阴极(pn⁺Si/TiO₂/Pt)及制备方法，可以实现均匀pn同质结层的构建进而提升催化剂的活性和稳定性。

背景技术

随着不可再生能源的过度消耗和环境问题的日益恶化，人类对可再生清洁能源的需求日益增加，而光电催化分解水制氢气是这一问题的潜在解决方案^[1,2]。在众多p型半导体中，单晶硅由于合适的能带位置、近乎完美的体相结构以及地球丰富的储量而被广泛应用于微电子和光伏产业中，但其在水溶液中的应用面临着光反射严重、光生电压低、表面催化动力学缓慢以及在水溶液中容易被腐蚀等问题，因此构建高效同时具有经济效益的硅阴极是重要的研究方向。

平面单晶硅较高的反射率极大地降低了其对可见光的利用率，因此研究者借助多种构建表面三维形貌的手段，以此降低硅基底的光反射率。早在1973年，Price等人就对金字塔硅的蚀刻方法进行了详细的论述^[3]。硅片在氢氧化钾、异丙醇和水的混合溶液中加热，制备得到的金字塔形貌的硅基底在100mW cm^-2模拟太阳光照射下能够达到35mA·cm^-2的饱和光电流密度。

为了提高硅电极的光生电压，表面重掺杂形成同质结、异质结以及金属-绝缘层-半导体等结构被引入，是目前解决单晶硅电极光生电压小的主要手段。目前通过表面重掺杂构建同质结是提高硅阴极光电活性的最佳方式。为了能够获得尽可能大的光生电压和光电转化效率，单晶硅表面通常会构建三维结构以此增强基底对光的吸收。使用旋涂的方法将掺杂剂均匀的涂覆在硅片表面再进行热退火是一种操作安全、流程简单的掺杂方法，但是由于具有较大的粘度，这类商用SOD旋涂掺杂剂只适用于平面硅基底的掺杂。当其对三维硅基底进行旋涂时，掺杂剂将会在基底的底部堆积而导致对三维硅基底的不均匀掺杂^[4-6]。如果不使用旋涂掺杂的方法，工业上最常使用的掺杂源为液态的POCl₃，能够得到好的掺杂效果。但POCl₃是一种剧毒的掺杂源^[7]，它的使用不仅会带来危险，从而引发设备造价的增加，同时由于气态磷源在热退火过程中充满整个空间，会导致硅片的双面掺杂^[8]，这一点并不利于电极的制备，需要多余的步骤来避免。

因此，使用简单、安全的方法制备具有均匀pn同质结层的金字塔硅基光电阴极是亟待解决的科学问题。

参考文献：

[1]T.Wang and J.Gong,Angewandte Chemie-International Edition,2015,54,10718-10732.

[2]J.A.Turner,Science,2004,305,972-974.

[3]H.Seidel,L.Csepregi,L.Csepregi and H.BaumgSrtel,Journal ofElectrocheical Society,1990,137,3612-3626.

[4]D.Mathiota，A.Lachiqa，A.Slaouia，S.J.C.Mullera and C.Duboisb,Materials Science in Semiconductor Processing,1998,231-236.