[发明专利]一种三元铜基化合物半导体光电极、无偏压太阳光分解水制氢产氧器件及其制备方法

说明书

本发明涉及一种三元铜基化合物半导体光电极、无偏压太阳光分解水制氢产氧器件及其制备方法，该光电极采用三元铜基化合物半导体光电极，其吸收层为三元铜基化合物半导体薄膜，具有带隙合适、光吸收系数高、元素储量丰富、无毒和成本低等优点，且本发明的三元铜基吸收层采用喷雾热解法制备获得，制备而成的光电极开启电压高；且本发明光阳极选用施加相对于可逆氢电位0.2～0.5V的偏压时可氧化水的半导体材料，将三元铜基化合物半导体光电极和上述光阳极相结合，制备成一种无需外加偏压的太阳光分解水制氢产氧器件。实现了真正意义上的无需外加电能的光解水制氢器件，并且该光阴极和光阴极可根据实际的封装需求，灵活选择不同的封装方式。

技术领域

本发明涉及太阳光水解制氢领域，尤其涉及一种三元铜基化合物半导体光电极、无偏压太阳光分解水制氢产氧器件及其制备方法。

背景技术

氢能作为清洁能源，具有环保、热值高等优点。氢能最理想的制备方式是通过太阳光分解水制氢。但目前现有的光水解器件效率低、稳定性差且成本高，并且容易对环境造成污染。且现有的太阳光分解水器件大多需要外加偏压来激发半导体电极裂解水产氢，这种器件并不是真正意义上的无需外加电能的光解水制氢器件。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种三元铜基化合物半导体光电极、无偏压太阳光分解水制氢产氧器件及其制备方法，实现只输入太阳光而无需外加偏压的化合物半导体光电极和光阳极串联结构的器件自发分解水制氢产氧，从而实现氢能的绿色环保制备，且光电极材料元素储量丰富、原料廉价，能够实现氢能制取真正意义上的清洁、环保、环境友好，并且可再生。

本发明的光电极采用三元铜基化合物半导体光电极，其吸收层为三元铜基化合物半导体薄膜，具有带隙合适、光吸收系数高、元素储量丰富、无毒和成本低等优点，且本发明的三元铜基吸收层，例如是Cu₃BiS₃、CuSbS₂或Cu₂SnS₃等，采用喷雾热解法制备获得，制备而成的光电极开启电压高，这使得本发明的光电极材料在串联结构光解水器件应用方面具有极大的优势。

另外，本发明光阳极选用施加相对于可逆氢电位0.2～0.5V的偏压时便可氧化水的半导体材料，例如是BiVO₄、Fe₂O₃、SiC或Ta₃N₅等，这使得这些光阳极材料在串联结构光解水器件应用方面也极具吸引力。且本发明将三元铜基化合物半导体光电极和上述光阳极相结合，可制备成一种无需外加偏压的太阳光分解水制氢产氧器件。实现了真正意义上的无需外加电能的光解水制氢器件，并且该光阴极和光阴极可根据实际的封装需求，灵活选择不同的封装方式。

本发明至少提供如下方案：

本发明提供一种三元铜基化合物半导体光电极，包括：

第一衬底以及依次层叠于第一衬底上的第一背电极、三元铜基吸收层、缓冲层、保护层和析氢催化剂，所述三元铜基吸收层选用喷雾热解法制备获得。

进一步地，其中所述三元铜基吸收层选用Cu₃BiS₃、CuSbS₂或Cu₂SnS₃；所述缓冲层选用CdS、In₂S₃、ZnS或ZnSnO；所述保护层选用TiO₂、HfO₂或Al₂O₃；所述析氢催化剂选用Pt或MoS₂；所述第一背电极选用Mo、ITO或FTO。

进一步地，所述喷雾热解法制备中，首先进行前驱体溶液的配制，其次加热所述第一衬底，待所述第一衬底加热至喷涂温度，将所述前驱体溶液喷涂至所述第一衬底上，在第一背电极上形成三元铜基吸收层。