Cu2O薄膜同质结及n-Cu2O/p-Cu2O纳米复合结构的制备与光电化学性能研究

摘要

当今社会，能源危机日益严重，雾霾的大面积出现也使得传统能源的使用受到越来越多的质疑，为了应对能源危机和传统石化能源引起的环境污染问题，清洁、可再生的新能源技术的研究与开发迫在眉睫。在这一背景下，太阳能和氢能作为绿色无污染的新能源受到了广泛关注。而光电化学分解水制氢技术将太阳能的利用与氢的制取结合在一起，相比于传统的电分解水制氢具有更加廉价、更加节省成本的优势。氧化亚铜(Cu2O)是一种p型直接带隙半导体，禁带宽度约2.0 eV，有利于可见光吸收利用，其理论光电转化效率为18％，并且Cu2O材料的导带位置非常利于还原H2O制取H2，因此Cu2O作为光电化学分解水的光阴极材料具有巨大潜力。但是Cu2O的少子扩散长度仅为20～100 nm，使得光生载流子易发生复合，这是限制Cu2O光电化学性能提高的阻碍之一。为了解决这一问题，研究者们往往使用将本征n型的半导体材料与Cu2O构建异质结的方法，以提高载流子的分离转移效率，改善Cu2O的光电化学性能。由于过去制备n型Cu2O薄膜的手段非常有限，以往的研究工作中关于p-n Cu2O同质结的相关报导并不多。2009年McShane等通过酸性电解液体系，采用电化学沉积法成功生长了n型Cu2O薄膜，之后许多课题组都开展了电化学沉积Cu2O同质结的相关研究，Cu2O同质结成为当前研究热点之一，被认为在提高Cu2O材料光伏性能和光电化学性能方面极具潜力。目前Cu2O同质结太阳能电池的转换效率已达到1.06％，而Cu2O同质结在光电化学领域的应用研究却尚未得到足够的关注。
　　本论文对p-n Cu2O复合结构光电极的光电化学性能进行了探索，制备了两种结构的p-n Cu2O复合光电极:Cu2O薄膜同质结光电极和Pt/n-Cu2O/p-Cu2O纳米复合结构光电极。并通过研究生长参数对Cu2O光电极形貌结构、能带结构、光电化学性能等方面的影响，优化制备条件提高p-n Cu2O复合结构光电极的光电化学分解水能力。本工作中，材料的光电化学性能均使用光电流进行表征，光电流测试电压为0 V vs.NHE（Normal Hydrogen Electrode，标准氢电极）。主要研究内容如下:
　　(1)利用电化学沉积方法制备了p型Cu2O薄膜，研究了沉积参数对p-Cu2O薄膜形貌结构、载流子浓度、能带结构以及光电化学性能的影响，确定p-Cu2O薄膜光电化学性能最佳时的制备参数。制备的p-Cu2O薄膜在0 Vvs.NHE电位下光电流密度为-0.1 mA·cm-2。
　　(2)探索电沉积n型Cu2O薄膜的制备参数，并在光电化学性能最佳的p-Cu2O薄膜上电化学沉积n-Cu2O层制备Cu2O薄膜同质结，研究生长参数对Cu2O薄膜同质结光电化学性能的影响。生长参数优化后制备的Cu2O薄膜同质结光电化学性能良好，在0 V vs.NHE电位下的光电流密度为-0.5 mA· cm-2，是纯p-Cu2O薄膜的5倍。
　　(3)以Cu(OH)2纳米结构薄膜作为前驱体，通过热分解方法制备p-Cu2O纳米结构薄膜，在p-Cu2O纳米薄膜上电沉积n-Cu2O颗粒制备n-Cu2O/p-Cu2O纳米复合结构薄膜光电极，研究前驱体制备参数、前驱体退火条件、n型Cu2O沉积时间等条件对n-Cu2O/p-Cu2O纳米复合结构光电极的光电化学性能的影响，优化生长条件，并通过修饰金属Pt来进一步提高n-Cu2O/p-Cu2O纳米复合结构薄膜的光电化学性能，优化后的Pt/n-Cu2O/p-Cu2O复合结构光电极在0 V vs.NHE电位下的光电流密度达到-0.6 mA·cm-2，光电化学性能优于前面制备的p-Cu2O薄膜和Cu2O同质结薄膜光电极。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 光电化学分解水

1．2．1 光电化学分解水原理

1．2．2 光电化学分解水装置

1．2．3 光电化学分解水常用材料

1．2．4 光电化学分解水材料的主要性能参数

1．3 Cu2O的性质及应用

1．3．1 Cu2O的基本物理性质

1．3．2 Cu2O薄膜的应用

1．4 Cu2O薄膜的制备方法

1．4．1 电化学沉积法

1．4．2 热分解法

1．4．3 磁控溅射法

1．4．4 热氧化法

1．5 本文的选题依据与研究内容

第二章 实验设备、样品制备及表征手段

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 电化学沉积设备

2．2．3 热分解设备

2．2．4 磁控溅射沉积设备

2．3 样品表征

2．3．1 X射线衍射(XRD)

2．3．2 扫描电镜(SEM)

2．3．3 紫外-可见光透射光谱(UV-vis)

2．3．4 X射线光电子能谱(XPS)

2．3．5 Mott-Schottky测试(MS)

2．3．6 光电化学测试(PEC)

2．3．7 电化学阻抗谱(EIS)

第三章 电化学沉积P型Cu2O薄膜

3．1 引言

3．2 电沉积p型Cu2O薄膜的形貌和结构

3．2．1 p型Cu2O薄膜的制备

3．2．2 生长参数对Cu2O薄膜形貌和结构的影响

3．2．3 电沉积p型Cu2O薄膜的形貌和结构小结

3．3 电沉积Cu2O的能带结构控制

3．3．1 电沉积pH值对Cu2O能带结构的影响

3．3．2 沉积电位对Cu2O能带结构的影响

3．3．3 电沉积Cu2O能带结构控制小结

3．4 p型Cu2O薄膜的光电化学性能

3．4．1 沉积电位和pH值的影响

3．4．2 生长时间的影响

3．5 本章小结

第四章 n型Cu2O及Cu2O薄膜同质结的制备与光电化学性能

4．1 引言

4．2 电化学沉积n型Cu2O薄膜

4．2．1 n型Cu2O薄膜的制备

4．2．2 n型Cu2O薄膜的表征

4．2．3 n型Cu2O薄膜制备小结

4．3 电化学沉积Cu2O薄膜同质结

4．3．1 Cu2O薄膜同质结的制备

4．3．2 Cu2O薄膜同质结的形貌和结构

4．3．3 Cu2O薄膜同质结的光电化学性能

4．3．4 Cu2O薄膜同质结小结

4．4 本章小结

第五章 Pt修饰n-Cu2O／p-Cu2O纳米复合结构的制备与光电化学性能

5．1 引言

5．2 Cu2O纳米结构制备及其光电化学性能

5．2．1 退火条件对Cu2O纳米薄膜光电化学性能的影响

5．2．2 Cu(OH)2前驱体对Cu2O纳米薄膜光电化学性能的影响

5．3 n-Cu2O／p-Cu2O纳米复合结构的制备及其光电化学性能

5．3．1 n-Cu2O／p-Cu2O纳米复合结构的制备

5．3．2 结果与讨论

5．3．3 n-Cu2O／p-Cu2O纳米复合结构小结

5．4 Pt修饰n-Cu2O／p-Cu2O纳米复合结构及其光电化学性能

5．4．1 Pt修饰n-Cu2O／p-Cu2O纳米复合结构的制备

5．4．2 结果与讨论

5．4．3 Pt修饰n-Cu2O／p-Cu2O纳米复合结构小结

5．5 本章小结

第六章 全文结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果