[发明专利]一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料及应用

说明书

本发明涉及一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料，依以下方法制备：(1)首先对硅片进行亲水处理，在其表面生长二氧化钛晶种，并置于马弗炉内煅烧；(2)然后将步骤(1)中所得到的表面附有二氧化钛晶种的硅片置于反应釜中，采用水热合成的方法在硅片表面诱导生长二氧化钛纳米棒；(3)最后在步骤(2)中得到的二氧化钛纳米棒上沉积聚吡咯纳米粒子，得到以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结层级复合材料。本发明所涉及的以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结层级复合材料具有优异的降低材料表面光反射和高效分离光生电荷的能力，可以应用到光催化、光电转化器件和太阳能电池等领域。

技术领域

本发明涉及一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料即硅-二氧化钛-聚吡咯复合材料，同时此类复合物可以用于光电转化和光催化材料，属于光电材料技术领域。

背景技术

目前，无机半导体光催化剂如TiO₂、ZnO、MnO₂、V₂O₅、Fe₃O₄,、Ag₂O等已广泛应用于可再生能源以及环境处理领域。其中二氧化钛纳米材料由于具有催化活性高、稳定性好、降解速度快、降解条件温和、投资少、能耗低、高羟基自由基产率、光照不腐蚀等优点，在防腐涂料、污水净化、抗菌杀菌等方面表现出尤为突出的应用前景。但是二氧化钛是一种宽禁带半导体，只能吸收太阳光中5％的波长较短的紫外线，导致二氧化钛在太阳光下的光催化能力较弱。因此,改善二氧化钛在太阳光下的光催化活性已成为该领域研究的热点。

导电聚合物聚吡咯具有良好的环境稳定性，在可见光区有很强烈的吸收，是强的供电子体和优良的空穴传输材料，当用聚吡咯对二氧化钛进行表面敏化后，两者之间将会形成异质结，不仅能提高光生电荷的分离效率从而提高光催化效率，而且可将复合材料的光谱响应范围拓宽到可见光区从而提高太阳光的利用率。专利CN101955665A公开了一种聚吡咯颗粒/二氧化钛纳米管列阵的复合材料制备方法；专利CN102350317A公开了一种聚吡咯/二氧化钛复合吸附剂及其制备、应用和再生方法；专利CN102600907A公开了一种聚吡咯敏化的中空状二氧化钛纳米光催化剂及其制备方法；以上一定程度解决了二氧化钛禁带宽度大、光谱响应范围小，光生电子-空穴对易复合等问题。然而，聚吡咯/二氧化钛复合物仍然存在着有序性较差、易团聚、回收利用率较低，光吸收率不高等问题，限制了聚吡咯/二氧化钛复合物的推广应用。

发明内容

本发明目的是为了克服传统的二氧化钛/聚吡咯复合物无序、易团聚、难回收和光电转化效率低等缺点，提供了一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料，同时具有良好的消反射性能和高效分离光生电荷能力，提高了材料的光电转化效率，表现出优异的光催化能力。

按照本发明提供的技术方案，所述以一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料，是以硅(Si)、二氧化钛(TiO₂)和聚吡咯(PPy)层级有序组成，即Si/TiO₂/PPy层级复合材料，Si是P(100)型单晶硅；TiO₂是金红石相的TiO₂纳米棒，为N型半导体，四棱柱形状，高度为500～4000nm，直径为40～250nm，有序垂直生长在单晶硅表面；PPy是聚吡咯纳米粒子，为P型半导体，粒径为10～60nm，均匀生长在TiO₂纳米棒表面。Si/TiO₂/PPy层级复合材料中的Si与TiO₂界面、TiO₂与PPy界面形成双P/N异质结，可以高效分离光生电荷，同时具有仿生昆虫复眼结构，可以有效降低入射光在表面的反射率。

所制备的一种以单晶硅为载体的消反射双层P/N异质结的层级复合材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)首先对硅片进行亲水处理，在其表面生长TiO₂晶种，并置于马弗炉内煅烧一段时间后自然冷却；