一種含硒的ZnO光陽(yáng)極及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及改善ZnO光陽(yáng)極光電化學(xué)(photoelectrochemical，PEC)性能的方法，特別涉及一種含砸的ZnO光陽(yáng)極及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]光電化學(xué)水分解是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能的一種有前途且環(huán)保的方法。作為PEC系統(tǒng)的核心器件，光陽(yáng)極主要作為光吸收層存在，其主要利用光生空穴進(jìn)行水的氧化作用產(chǎn)生氧氣，PEC性能主要由光吸收和載流子傳輸能力決定。當(dāng)前研究的光陽(yáng)極材料主要是Ti02，ZnO, Fe203，評(píng)03和BiVO 4等金屬氧化物。憑借有利的帶隙位置，高的光化學(xué)活性，大儲(chǔ)量，低成本和無(wú)毒等優(yōu)勢(shì)，ZnO已經(jīng)廣泛用于光陽(yáng)極并用于光電化學(xué)水分解制氫。
[0003]但是，由于載流子在光陽(yáng)極內(nèi)的傳輸速率遠(yuǎn)大于其進(jìn)行水氧化反應(yīng)速率，導(dǎo)致光生電子和空穴在固液界面的復(fù)合嚴(yán)重，進(jìn)而降低了光陽(yáng)極的PEC性能。為了降低載流子在界面處的復(fù)合，主要采用氧化鋅-二氧化鈦的核殼結(jié)構(gòu)，層狀雙氫氧化物(LDH)，鈷磷酸與硼酸鎳氧釋放催化劑來改善載流子的分離和空穴在半導(dǎo)體表面的迀移。盡管這些方法都改善了 ZnO光陽(yáng)極的PEC性能，但是這些方法制備工藝復(fù)雜，可重復(fù)性和普適性差，不易于大面積沉積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述存在的問題，提供一種含砸的ZnO光陽(yáng)極及其制備方法和應(yīng)用，通過利用熱蒸發(fā)設(shè)備在ZnO光陽(yáng)極表面蒸發(fā)砸原子，以實(shí)現(xiàn)在保證不損害光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)和形貌性能的基礎(chǔ)上，提高光陽(yáng)極的PEC性能，實(shí)現(xiàn)高性能光陽(yáng)極的大面積沉積，且其制備方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，重復(fù)性好。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]—種含砸的ZnO光陽(yáng)極，由絨面FT0襯底和在絨面FT0襯底表面依次沉積的Ζη0:Β薄膜、ZnO薄膜和ZnO: Se薄膜組成，F(xiàn)T0襯底的厚度為600nm，ZnO: B薄膜、ZnO薄膜和ZnO: Se薄膜厚度分別為2-3 μ m、1-2 μ m和1_2 μ m。
[0007]—種含砸的ZnO光陽(yáng)極的制備方法，步驟如下:
[0008]1)將絨面FT0襯底置于濃度為99.7wt%的乙醇溶液中，超聲清洗15_40min，然后利用高純隊(duì)吹干，并用高溫膠帶在FT0襯底上預(yù)留不需要沉積ZnO的電子傳輸電極；
[0009]2)利用單腔室M0CVD沉積系統(tǒng)在絨面FT0襯底表面沉積ZnO薄膜，其中鋅類源液體為二乙基鋅(DEZn)、氧類源液體為水、摻雜源氣體為B2H6，摻雜氣體B2H6的原始稀釋比為1 %，稀釋氣體為H2，載氣攜帶氣體為Ar氣，方法如下:
[0010]將上述處理后的絨面FT0襯底置于M0CVD腔室中，腔室的本底真空為0.03Torr，腔室的反應(yīng)真空為ITorr，沉積溫度為150-160°C，二乙基鋅流量為160-190sCCm，水蒸汽流量為90-120sccm，首先，B2H6流量為5_8sccm，沉積時(shí)間為40_60min，然后，B 2H6流量為Osccm，沉積時(shí)間為20-30min，在FT0襯底上制得“類金字塔”狀Zn0:B_Zn0光陽(yáng)極；
[0011]3)利用熱蒸發(fā)設(shè)備在“類金字塔”狀ZnO:B-ZnO光陽(yáng)極表面蒸發(fā)砸原子，蒸發(fā)源為純度為99.99?丨％的砸單質(zhì)，方法如下:
[0012]將上述Ζη0:Β-Ζη0光陽(yáng)極置于熱蒸發(fā)腔室中，腔室的本底真空為10 3Pa，腔室的反應(yīng)真空為10 2Pa-10 3Pa，蒸發(fā)溫度為450-500 °C，砸化時(shí)間為25_45min，制得ZnO: B-Zn0-Zn0: Se 光陽(yáng)極。
[0013]一種所述含砸的ZnO光陽(yáng)極的應(yīng)用，以含砸的ZnO光陽(yáng)極組裝光電化學(xué)電池用于光電化學(xué)電解水，提高ZnO光陽(yáng)極的光電化學(xué)性能，方法如下:
[0014]光電化學(xué)電池中，以含砸的ZnO光陽(yáng)極為光陽(yáng)極，以鉑絲為光陰極，參比電極為Ag/AgCl溶液，電解液是濃度為0.5M的Na2S04溶液，并利用0.01M的NaOH溶液將其PH調(diào)節(jié)為7，測(cè)試面積為0.2826cm2，光強(qiáng)為100mW/cm2。圖1為制備Zn0:B-Zn0-Zn0: Se光陽(yáng)極光PEC電解水的過程示意圖。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0016]本發(fā)明利用熱蒸發(fā)設(shè)備在絨面的Ζη0:Β-Ζη0光陽(yáng)極上蒸砸原子，并將其作為光陽(yáng)極用于光電化學(xué)電解水，克服了光陽(yáng)極內(nèi)光生載流子復(fù)合速度快和PEC性能低等缺點(diǎn)；同時(shí)該方法利用M0CVD沉積系統(tǒng)和熱蒸發(fā)沉積系統(tǒng)來制備Zn0:B-Zn0-Zn0: Se光陽(yáng)極，克服現(xiàn)有技術(shù)制備方法的復(fù)雜性，不可重復(fù)性和不易大面積沉積等缺點(diǎn)，制備步驟簡(jiǎn)單、易操作，重復(fù)性強(qiáng)，易于大面積均勻沉積。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備Zn0:B-Zn0-Zn0:Se光陽(yáng)極光PEC電解水的過程示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備Zn0:B-Zn0-Zn0:Se光陽(yáng)極的線性掃描伏安法曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1:
[0020]—種含砸的ZnO光陽(yáng)極，由絨面FT0襯底和在絨面FT0襯底表面依次沉積的Ζη0:Β薄膜、ZnO薄膜和ZnO: Se薄膜組成，F(xiàn)T0襯底的厚度為600nm，ZnO: B薄膜、ZnO薄膜和ZnO: Se薄膜厚度分別為2-3 μ m、1-2 μ m和1_2 μ m。其制備方法，步驟如下:
[0021]1)將絨面FT0襯底置于濃度為99.7wt%的乙醇溶液中，超聲清洗30min，然后利用高純N2吹干，并用高溫膠帶在FT0襯底上預(yù)留不需要沉積ZnO的電子傳輸電極；
[0022]2)利用單腔室M0CVD沉積系統(tǒng)在絨面FT0襯底表面沉積ZnO薄膜，其中鋅類源液體為二乙基鋅(DEZn)、氧類源液體為水、摻雜源氣體為B2H6，摻雜氣體B2H6的原始稀釋比為1 %，稀釋氣體為H2，載氣攜帶氣體為Ar氣，方法如下:
[0023]將上述處理后的絨面FT0襯底置于M0CVD腔室中，腔室的本底真空為0.03Torr，腔室的反應(yīng)真空為ITorr，沉積溫度為150 °C，二乙基鋅流量為160sCCm，水蒸汽流量為90sccm，首先，B2H6流量為5sccm，沉積時(shí)間為40min，然后，B 2H6流量為Osccm，沉積時(shí)間為35min，在FT0襯底上制得“類金字塔”狀ZnO:Β_Ζη0光陽(yáng)極；
[0024]3)利用熱蒸發(fā)設(shè)備在“類金字塔”狀ZnO:B-ZnO光陽(yáng)極表面蒸發(fā)砸原子，蒸發(fā)源為純度為99.99?丨％的砸單質(zhì)，方法如下:
[0025]將上述Ζη0:Β-Ζη0光陽(yáng)極置于熱蒸發(fā)腔室中，腔室的本底真空為10 3Pa，腔室的反應(yīng)真空為10 2Pa-10 3Pa，蒸發(fā)溫度為450°C，砸化時(shí)間為25min，制得Zn0:B-Zn0_Zn0: Se光陽(yáng)極。
[0026]圖2為制備的Zn0:B-Zn0-Zn0:Se光陽(yáng)極的線性掃描伏安法曲線，圖中表明:ZnO: B-Zn0-Zn0: Se光陽(yáng)極的光態(tài)電流密度顯著增加，最高電流密度從初始的0.67mA/cm2增加到1.36mA/cm2，其在0.62V vsAg/AgCl (1.23V vsRHE)，表明Se化之后光陽(yáng)極內(nèi)部的載流子分離能力增強(qiáng)。
[0027]實(shí)施例2:
[0028]—種含砸的ZnO光陽(yáng)極，與實(shí)施例1相同，其制備方法與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于:步驟2)中沉積溫度為155°C，二乙基鋅流量為170SCCm，水蒸汽流量為lOOsccm，首先，B2H6流量為6SCCm，沉積時(shí)間為45min，然后，B 2H6流量為Osccm，沉積時(shí)間為30min ;步驟3