[实用新型]一种可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系

说明书

本实用新型属光电转换与新能源领域，为解决现有技术中氧化铁光阳极不能实现完全光解水的技术问题，提出可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系，包括氧化铁吸收层、p型硅掺杂层、n型硅基底、背导电层、背防水绝缘层；所述的p型硅掺杂层与n型硅基底构成硅pn结；硅pn结的形貌为金字塔阵列结构；p型硅掺杂层与氧化铁吸收层之间设置有透明导电隧穿层。内嵌硅pn结使得硅层吸收入射光时产生较大的光电压，此光电压将与氧化铁吸收层形成串联关系，相当于外加了此大小的电压于氧化铁层，将有效降低氧化铁光阳极的开启电压，提高了氧化铁吸收层的导电率及其光生载流子的收集效率，从而实现了完全光解水。

技术领域

本实用新型涉及一种可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系及制备方法，尤其涉及该光阳极用于完全光解水时的能带界面调控技术，属光电转换与新能源领域。

背景技术

以光电极为核心的光电化学电池，是一种有望借助太阳能而低成本地实现光解水制氢的有效途径。它借助半导体材料吸收太阳光而产生的光生载流子参与水的氧化与还原反应(产生氢气)，即完成太阳能转换为高能量的绿色燃料。

当前，光电化学电池制氢在应用推广中却受到了诸多技术困难。其中，关键问题是绝大部分的光电极材料无法仅仅依靠太阳能而实现光解水(即需要外加一定的偏压)。虽然少数宽禁带半导体材料(如KTaO₃)从理论上能实现完全光解水(即不需要外加偏压)，但这些材料只能吸收紫外光，也就是说绝大部分的太阳光是不能被利用。此外，这些宽禁带半导体材料在水溶液中的稳定性差。为了得到较高太阳能转换效率的光电化学电池体系，光电极材料要具有适中的禁带宽度，且在水溶液中具有良好的化学稳定性。

氧化铁(α-Fe₂O₃)已被证实具有优异的化学稳定性、合适的禁带宽度(1.9～2.3eV，理论上的转换效率可到12.9％～16.8％)、良好的环境兼容性等特征，是理想的光阳极材料。然而，其少子寿命较短，导致当氧化铁较厚时(几百纳米以上)产生的光生载流子不能被有效地抽取与收集。此外，其导带电势位置低于H⁺/H₂电势，导致光生电子不能满足无偏压下的光还原水反应(既氧化铁光阳极体系不能实现完全光解水)。为了解决上述问题，常用的办法是在氧化铁光吸收层下方引入另外一层光吸收层，通过结合内外光吸收层材料的能带位置从理论上满足完全光解水的热力学要求。通过双吸收层构筑的光电化学电池体系，虽然从理论上可实现完全光解水，但由于内吸收层与外吸收层异质结所产生的光电压偏小，且由于在内/外吸收层界面上的载流子复合严重导致整个光电极体系的光电流较小，导致实验上很难真正实现完全光解水，或者是无偏压时光电流很小。

实用新型内容

本实用新型本为解决现有技术中氧化铁光阳极不能实现完全光解水，氧化铁与其他光吸收层构筑的双吸收层光电极能带不匹配的问题而导致载流子复合严重、光生电压偏小的技术问题。采用的技术方案如下：

一种可完全光解水的内嵌硅pn结的氧化铁光阳极体系，所述的光阳极为复合层式结构，其特征在于：沿着光入射方向依次包括氧化铁吸收层、p型硅掺杂层、n型硅基底、背导电层、背防水绝缘层；所述的p型硅掺杂层与n型硅基底构成硅pn结；硅pn结的形貌为金字塔阵列结构；p型硅掺杂层与氧化铁吸收层之间设置有透明导电隧穿层，透明导电隧穿层为掺铌的氧化锡。

优选地氧化铁层的厚度为50～150nm。

优选地p型硅掺杂层中硼掺杂的浓度范围为5.0×(10¹⁸～10¹⁹)cm^-3，深度为0.1～0.3μm。

优选地n型硅基底中掺磷的浓度范围为5.0×(10¹⁴～10¹⁵)cm^-3，基底厚度为200～600μm。

优选地透明导电隧穿层所述的透明导电隧穿层各处厚度相等，厚度为10～50nm。