[发明专利]一种磷化物修饰的硅基光电阴极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种高活性、高稳定的磷化物修饰的硅基光电阴极材料，涉及光电催化技术领域，包括光吸收基底，具有电子传输的保护层，电催化层和粘接层。其中，光吸收基底为p型硅，保护层为致密结构的无定形TiO₂，电催化剂为介孔结构磷化物，粘接层为疏松结构的TiO₂。本发明还公开了硅基光电阴极材料的通用制备方法：首先通过原子层沉积工艺在硅表面沉积致密TiO₂保护层；然后旋涂高活性的电催化剂；之后旋涂TiCl₄溶液；最后对光电极进行热处理，使TiCl₄水解成TiO₂并与磷化物形成化学键，从而使电催化剂牢牢粘在基片表面。本发明制备的硅基光电阴极材料在太阳能利用与转化领域具有重大的应用前景和社会价值。

技术领域

本发明涉及太阳能转化光电极技术领域，尤其涉及一种光电阴极材料及其制备方法。

背景技术

太阳能具有普遍性、清洁和可持续性等特点，将太阳能转化为可存储的化学能，如氢能，对于新能源的开发与利用具有重要的意义。光电催化分解水制氢气具有诱人的应用前景，然而目前的瓶颈在于如何制得高效稳定的光电极材料及其可工业化的制备方法。

单晶硅具有优良的光电转换能力，但是纯的硅基板作为光电极存在着光电催化效率低，光化学稳定性差等不利因素。研究表明，对硅表面修饰催化剂层能够极大提高硅基半导体的光电催化性能，如在硅表面修饰金属铂纳米颗粒可以有效提高光电阴极产氢活性，同时能够降低外置偏压。然而，金属铂价格昂贵，同时催化过程中易产生催化剂失活现象，限制了其实际应用。对于非贵金属催化剂的研究，目前主要集中在过渡金属硫化物，如MoS₂、Ni₂S₃等；合金类，如NiMo合金等；以及过渡金属磷化物，如CoP₂等，但这些材料目前仅限于实验室少量的合成。目前为止，仍然没有一种经济且可适用于大规模生产光电极制备方法的公开报道。另一方面，硅基半导体在光电催化过程中容易腐蚀，尤其在碱性溶液中腐蚀速率更快。引入钝化层材料可以有效提高硅的抗腐蚀性能，但是钝化层的引入又会对电子传输产生不利影响，从而导致催化活性大大降低，同时钝化层覆盖于催化层表面会造成催化剂堵塞，使催化剂的活性难以达到最优。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种兼具催化层和钝化层的结构，以提高硅基半导体的光电催化活性和稳定性，并致力于可规模化生产与应用的制备技术。

发明内容

有鉴于现有光电极结构与制备的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种催化活性高、可靠性强的光电阴极结构及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种磷化物修饰的硅基光电阴极材料，所述硅基光电阴极材料包括基底、保护层、催化层和粘接层。

进一步地，所述基底为p型单晶硅，所述保护层为氧化钛钝化层，所述催化层为磷化物颗粒，所述粘接层为疏松结构的氧化钛。

进一步地，所述氧化钛钝化层为致密无定形结构，所述磷化物颗粒为晶态介孔结构。

进一步地，所述基底阻值为1-20Ω。

进一步地，所述氧化钛钝化层厚度为5-100nm。

进一步地，所述磷化物颗粒为有序介孔磷化钨或磷化钼或磷化铁。

进一步地，所述磷化物颗粒大小为50-2000nm。

本发明还提供了一种磷化物修饰的硅基光电阴极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、将去除氧化膜的p型硅用原子层沉积法以四(二甲氨基)钛和水反应生成致密的氧化钛钝化层；

步骤二、将介孔结构的磷化物颗粒旋涂于所述氧化钛钝化层形成催化层；