[发明专利]一种晶体硅纳米片薄膜光电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种晶体硅纳米片薄膜光电极及其制备方法，其是由导电玻璃和沉积在导电玻璃表面的晶体硅纳米片薄膜组成，该薄膜是以晶体硅颗粒为原料、以乙醇为溶剂、以聚乙烯吡咯烷酮为添加剂，通过超声剥离和电泳沉积两步制成。本发明的操作流程简单、原材料和设备成本低廉，且所得晶体硅纳米片薄膜光电极与已有的硅基光电极相比，具有完全不同的形貌结构特征，在模拟太阳光照射下表现出较好的光电流响应性能，是一种全新的光电催化材料。

技术领域

本发明属于半导体技术、微纳米功能材料制备技术和光电化学材料领域，具体涉及一种由超薄晶体硅纳米片组成的薄膜光电极及其制备方法。

背景技术

实现“碳达峰”、“碳中和”目标要求我国大力推进能源领域科技创新，发展可再生能源技术。利用半导体光电极的光电催化作用可以将太阳能转化为清洁高效的燃料，实现太阳能的存储与转换，这是最有发展价值的可再生能源技术之一。

发展半导体光电催化技术的核心是开发新型光电催化材料，硅基薄膜材料有极好的光吸收能力，且材料成本较低，是光电催化技术的理想候选材料之一。但是，目前研究的硅基薄膜材料以气相沉积方法制备的非晶硅薄膜为主(如中国专利CN201210529409.3、中国专利CN201410200736.3等)。相比之下，具备一定结晶性的晶体硅薄膜由于晶体缺陷较少，有利于光生电子的传输，理论上具有比非晶硅薄膜更高的太阳能转换效率。但有关晶体硅薄膜的研究较少，制备方法上也以气相沉积方法和非晶硅薄膜转化为主(如中国专利CN200710149348.7、中国专利CN201310474882.0、中国专利CN201610232242.2等)。这些方法生长的硅纳米晶尺寸较小、形貌不可调控、晶化比例偏低，且制备成本偏高。

与非晶硅和普通多晶硅相比，具备二维片状结构的晶体硅纳米片具有可调的能带结构和优异的光吸收能力，同时还有载流子迁移率高、比表面积大等优点，在太阳能光电催化领域有很大的应用潜力。但目前国内外没有基于晶体硅纳米片的光电极的相关研究报道，这主要有两个原因：一是缺少低成本、可实现批量化制备的硅纳米片制备工艺；二是现有的硅纳米片制备方法得到的产品主要是硅纳米片粉末，要用于光电极，还需要进一步将其制备成均匀致密的薄膜。

发明内容

为研究出基于晶体硅纳米片的新型硅基薄膜材料，并拓展晶体硅纳米片的应用领域，本发明针对上述问题，首先采用工艺简单、成本低廉的液相剥离法制备得到超薄晶体硅纳米片，在此基础上结合电泳沉积法，将液相剥离得到的超薄晶体硅纳米片沉积到导电玻璃基底上，形成均匀致密的晶体硅纳米片薄膜，制得了一种晶体硅纳米片薄膜光电极。这种晶体硅纳米片薄膜光电极与已有的硅基光电极相比，具有完全不同的形貌结构特征，在模拟太阳光照射下表现出较好的光电流响应性能，是一种全新的光电催化材料。

本发明采用的技术方案如下：

本发明首先公开了一种晶体硅纳米片薄膜光电极，其特点在于：由导电玻璃和沉积在导电玻璃表面的晶体硅纳米片薄膜组成。所述晶体硅纳米片薄膜由晶体硅纳米片组成，所述晶体硅纳米片的横向尺寸为50-3000纳米、厚度为2-30纳米。

本发明还公开了上述晶体硅纳米片薄膜光电极的制备方法，是以晶体硅颗粒为原料、以乙醇为溶剂、以聚乙烯吡咯烷酮为添加剂，通过超声剥离和电泳沉积两步制成。具体包括以下步骤：

(1)将晶体硅颗粒加入到乙醇溶剂中，超声剥离，静置，取上清液，得到晶体硅纳米片悬浮液；然后将聚乙烯吡咯烷酮加入到所述晶体硅纳米片悬浮液中，超声混合均匀，得到电泳溶液；

(2)将两片导电玻璃分别作为阳极和阴极平行插入电泳溶液中，施加直流电压进行沉积，然后取出并自然晾干，再经退火，即得到晶体硅纳米片薄膜光电极。

进一步地，所述晶体硅颗粒的尺寸为50-500微米。

进一步地，所述晶体硅颗粒在乙醇溶剂中的浓度为5-20克/升。