[发明专利]光电极及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及光电化学技术领域，特别是涉及一种光电极及其制备方法。所述光电极包括半导体吸光器、保护层和助催化剂层；所述保护层设置于半导体吸光器表面，所述助催化剂层设置于保护层表面；所述保护层为过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层交替叠合至少两次；所述保护层的两侧为过渡金属氧化物层；所述助催化剂层为原子级金属颗粒层。该光电极具有良好的光电化学转化效率和稳定性，其饱和电流密度值能至35mA/cm²，在强酸强碱下稳定运行300h以上。

方法领域

本发明涉及光电化学技术领域，特别是涉及一种光电极及其制备方法与应用。

背景方法

太阳能是一种取之不尽用之不竭的可再生能源，每秒辐射到地球的能量约为1.47×10¹⁴焦，相当于燃烧500万吨煤所释放的能量，远超地球所有生命生存时的能量总额，具有较高的利用价值。利用太阳能合成化学物质和燃料的途径主要包括三个体系：光催化、光伏-电催化和光电化学。其中，从技术就绪水平、可用性、经济性和原材料等方面考虑，光电化学相比于其它两种体系具有最优的性价比，在光化学转换领域上具有广阔的潜在应用前景。

光电极是光电化学反应体系的核心部件，决定了光电化学反应效率和器件寿命，参与光吸收、载流子生成、分离和转移、以及界面催化反应等作用，其可以吸收光能从而产生电子-空穴对，再将产生的电荷载流子分离并传输到半导体-电解质界面进行反应。常用的光电极材料包括过渡金属氧化物半导体(TiO₂、CuO等)和非氧化物半导体(硅、氮化物等)。为了改进上述材料的性能，对于过渡金属氧化物半导体TiO₂改进主要采用与贵金属形成复合材料，比如Au/TiO₂复合结构，其在TiO₂纳米管上形成一层Au薄膜，并进行高温退火，用以提高对光的吸收率和光电转化性质，又比如钴钌复合掺杂二氧化钛，用于不同波段光的吸收，扩大材料的频谱响应范围。对于非氧化物半导体Si改进主要通过改变硅的结构，比如通过将晶体硅颗粒为原料以乙醇为溶剂、以聚乙烯吡咯烷酮为添加剂，通过超声剥离和电泳沉积两步制成由超薄晶体硅纳米片，用以提高载流子迁移率；又比如在硅片上沉积二硫化钼以及活性薄膜层，从而促进光生载流子，并降低阻抗。

但是，上述光电极无法克服光电极的稳定性和传导性难以兼容的技术问题，限制了光电极的应用。

发明内容

基于此，有必要提供一种太阳能-化学能长期稳定、高效转化的光电极及其制备方法、应用。

本发明的一个方面，提供了一种光电极，所述光电极包括半导体吸光器、保护层和助催化剂层；所述保护层设置于半导体吸光器表面，所述助催化剂层设置于保护层表面；

所述保护层为过渡金属氧化物层和原子级金属颗粒层交替叠合至少两次；所述保护层的两侧为过渡金属氧化物层；

所述助催化剂层为原子级金属颗粒层。

在一个实施例中，所述半导体吸光器中的半导体材料为ⅥA元素的金属化合物或硅基半导体材料，包括如下技术特征：

所述ⅥA元素的金属化合物为氧化铟、硒化亚铜、硒化银、硒化锡、硫化亚铜和硫化银中的一种或多种；

所述硅基半导体材料选用n+p型或p+n型的硅片，所述硅片为多晶硅或单晶硅。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层的厚度为0.5-5nm；所述原子级金属颗粒层的厚度为0.5～2nm。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层中的过渡金属氧化物为氧化钛、氧化镍、氧化钴、氧化铜、氧化镉、氧化钨、氧化锆、氧化铁和氧化锰中的一种或多种。

在一个实施例中，所述原子级金属颗粒层中的金属颗粒粒径为0.5-2nm。

在一个实施例中，所述原子级金属颗粒层中的金属为贵金属和过渡金属中的一种或两种。