[发明专利]具有WSA位敏结构的自供电半导体光电催化器件

说明书

具有WSA位敏结构的自供电半导体光电催化器件属于光电催化技术领域。现有半导体光电催化器件不能在日照时间的推移过程中，保持其催化净化效果始终处在最佳状态。本发明其特征在于，在P^‑N⁺硅片的N⁺区表面交叉分布一组楔形阳极W和一组条形阳极S，楔形阳极W与条形阳极S之间的部分为第三阳极A，楔形阳极W、条形阳极S、第三阳极A由楔形阳极沟道、条形阳极沟道分隔；楔形阳极沟道、条形阳极沟道的沟道宽度a为100～120μm，沟道底部位于P^‑区，沟道位于P^‑区部分的深度b为50～120μm，在沟道底部分布半导体纳米线光电催化层，半导体纳米线光电催化层的厚度为1～2μm；P^‑区至N⁺区掺杂浓度由稀变浓。本发明能够利用WSA位敏结构使得半导体光电催化器件跟踪日光，确保光能接收量。

技术领域

本发明涉及一种具有WSA位敏结构的自供电半导体光电催化器件，能够用来催化净化水体，利用光照实现自供电，提高催化效率，同时，其中的WSA位敏结构(wedge stripanode，楔条型阳极)使得该半导体光电催化器件能够跟踪日光，确保光能接收量，属于光电催化技术领域。

背景技术

半导体光电催化技术始于1972年问世的TiO₂(二氧化钛)催化污水的净化。该技术将TiO₂薄膜作为电极，在光照的条件下发生光解水反应，以此发挥催化作用。之后，半导体能带理论被用于解释TiO₂光催化机制，当入射的光子能量大于TiO₂半导体禁带宽度时，位于价带的电子会跃迁到导带，电子成为具有还原性的高活性电子，同时在价带上产生带正电的具有氧化性的空穴。不过，在电子和空穴会向表面迁移的过程中，一部分电子和空穴会发生体内复合，并且，载流子复合率较高，导致TiO₂光催化效率降低。人们发现ZnO、WO₃、CdS、ZnS等也都可以作为半导体光催化材料使用，但是，载流子复合率同样较高，而且往往高于TiO₂。现有技术通过TiO₂改性来降低载流子复合率，提高量子效率。改性措施包括减小晶粒粒度、选择合适的晶型、沉积贵金属、使半导体复合、电化学与光催化相结合等。实验结果表明，电化学与光催化相结合，也就是光电催化能够显著提升反应中的量子效率，进而提高催化效率。

以TiO₂为例，实现光电催化先要制作TiO₂光电阳极，如悬浮态光电阳极、固定化膜光电阳极以及透明固定化膜光电阳极等，由外部电路加偏置电压，以使电子更加容易离开TiO₂表面，从而提高催化效率。如制作TiO₂固定化膜光电阳极，引线接外部电源，加10～1000mV的偏置偏压，用于降解苯酚，催化效率能够提高20％以上。然而，制作薄膜光电阳极，外接电源提供偏置电压，这使得光电催化器件结构变得复杂，还需要额外耗费能量，再有就是薄膜状态的催化材料的催化面积有限，而且容易失活。

现有技术还存在一个技术问题，当半导体光电催化器件用于自然水体催化净化时，实现光电催化的光源为日光，而随着时间从早到晚推移，日光的照射强度和角度都在改变，半导体光电催化器件的催化净化效果并未始终处在最佳状态。

发明内容

为了在提高催化效率的前提下，简化半导体光电催化器件的结构，绿色节能，进一步加大催化面积，延长光电催化材料的寿命，同时，保持半导体光电催化器件在使用中始终处在最佳催化净化状态，我们发明了一种具有WSA位敏结构的自供电半导体光电催化器件。