淺析新型氧化物半導(dǎo)體光電極的合成

摘 要：本文首先闡述了新型氧化物半導(dǎo)體光電極合成的開(kāi)發(fā)背景，然后對(duì)新型氧化物半導(dǎo)體光電極合成中的氫氣制備進(jìn)行了探討，最后展望了新型氧化物半導(dǎo)體光電極合成的技術(shù)前景，從這三個(gè)方面對(duì)新型氧化物半導(dǎo)體光電極的合成進(jìn)行了淺析。

關(guān)鍵詞：新型氧化物半導(dǎo)體光電極；合成；淺析

中圖分類號(hào)：TM914.4

1 新型氧化物半導(dǎo)體光電極合成的開(kāi)發(fā)背景

對(duì)二氧化碳的排出進(jìn)行有效的抑制，有效運(yùn)用可再生能源等在擺脫對(duì)化石資源的依賴、構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)中具有重要的作用和意義。太陽(yáng)能在可再生能源中具有最為龐大的潛力，但是由于技術(shù)條件的限制，太陽(yáng)能還沒(méi)有得到充分有效的利用。各種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用技術(shù)如圖1所示[1]。

1 各種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用技術(shù)圖

在各領(lǐng)域中，“人工光合成”的含義各不相同，依據(jù)目的，我們可以將其定義為運(yùn)用太陽(yáng)能使低能量的物質(zhì)向高能量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，然后儲(chǔ)存起化學(xué)能的技術(shù)，低能量物質(zhì)如水、氮等，所轉(zhuǎn)化成的高能量物質(zhì)如氫、氨等。完成這一過(guò)程的途徑是有機(jī)結(jié)合金屬絡(luò)合物或粉末光催化劑、傳送電子的氧化還原物等，其中金屬絡(luò)合物和葉綠素作用相同，粉末光催化劑包括有機(jī)色素、半導(dǎo)體等。運(yùn)用光電極或氧化物半導(dǎo)體的光催化劑大大減小了制造的難度。此次的半導(dǎo)體光電極是電極化形態(tài)，存在于板狀或膜狀的半導(dǎo)體中，連接物質(zhì)為導(dǎo)線，其結(jié)構(gòu)為用導(dǎo)線流動(dòng)光照產(chǎn)生的光電流。

太陽(yáng)電池可以運(yùn)用半導(dǎo)體光電極，但是一般情況下，電流產(chǎn)生的途徑是光能，化學(xué)能由其所發(fā)生的氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)換而來(lái)，然后將其儲(chǔ)存起來(lái)以備用。1972年，有關(guān)學(xué)者首次在分解反應(yīng)的研究中運(yùn)用了氧化鈦單晶半導(dǎo)體，日本研究者稱其為“本多效應(yīng)”，意為是日本開(kāi)發(fā)了在制氫的過(guò)程中運(yùn)用氧化物半導(dǎo)體光電極對(duì)水進(jìn)行分解的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換技術(shù)。同時(shí)，他們還對(duì)光電極半導(dǎo)體材料進(jìn)行了分類，將其分為兩類，即氧化物體系和非氧化物體系[2]。90年代，科學(xué)家在導(dǎo)電性剝離上調(diào)制出了單純的氧化物，所使用的方法是用納米結(jié)構(gòu)的“多孔半導(dǎo)體薄膜”濕法[3]，此次所運(yùn)用的材料就是氧化物類材料，成膜之后顯著提升了其性能，對(duì)其的研究最為迅速的地方是歐洲。由于和光催化劑的分離原理相同，因此每個(gè)納米微粒中的電荷分離原理又被成為“光催化劑電極”?！疤?yáng)光制氫技術(shù)”將氫和氧從水中直接分解出來(lái)所使用的手段是光催化劑和光電極，具有較低的成本，因此在未來(lái)氫能社會(huì)的構(gòu)建過(guò)程中，可以將其作為基礎(chǔ)技術(shù)[4]。目前，各地正在對(duì)其進(jìn)行不懈的深入研究。

2 新型氧化物半導(dǎo)體光電極合成中的氫氣制備

在制氫的過(guò)程中對(duì)水進(jìn)行分解時(shí)運(yùn)用氧化物半導(dǎo)體光電極時(shí)，從理論上來(lái)說(shuō)，水的分解反應(yīng)中電解電壓為1.23V，但是實(shí)際情況是，在過(guò)電壓的影響下，要想使分解反應(yīng)正常進(jìn)行，電解電壓必須大于1.6V。但是，在輔助電源電壓較低且運(yùn)用光電極的情況下，低成本制氫是具有極大的發(fā)展前景的。此次光電極輔助電壓只需要0.7V，隨著科技的不斷進(jìn)步，光電極輔助電壓可能達(dá)到0V。

氧化鈦的單晶體或高溫?zé)Y(jié)體是研究的初級(jí)階段所使用的材料，但是其無(wú)法對(duì)紫外線進(jìn)行充分的應(yīng)用。隨后，以歐洲為中心，世界范圍內(nèi)逐漸盛行起雜導(dǎo)電性基板上運(yùn)用濕法成薄膜將多孔質(zhì)電極制作出來(lái)的研究，在這一過(guò)程中對(duì)可見(jiàn)光的氧化物半導(dǎo)體材料進(jìn)行了充分的應(yīng)用，所使用的材料為氧化物或三氧化二鐵。n型是多數(shù)氧化物半導(dǎo)體的類型，最適于生成氧的那一側(cè)電極，涂覆后在空氣中燒制成膜，有利于大面積制作。但是，太陽(yáng)能制氫具有較低的轉(zhuǎn)換效率，只有促進(jìn)單層轉(zhuǎn)換效率的顯著提升，才能使其實(shí)用化。此次研究的出發(fā)點(diǎn)為對(duì)電荷進(jìn)行有效的抑制，然后和增大光吸收有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在大幅度提升轉(zhuǎn)換效率的過(guò)程中運(yùn)用三種氧化物半導(dǎo)體薄膜多重疊層等方法。半導(dǎo)體光電極分解水制氫體系如圖2所示[5]。

2 半導(dǎo)體光電極分解水制氫體系

半導(dǎo)體光電對(duì)光進(jìn)行吸收之后，激發(fā)價(jià)帶電子到導(dǎo)帶。這導(dǎo)帶的電子送入電極的途徑是通過(guò)輔助電源的作用，對(duì)水進(jìn)行有效的還原從而將氫制作出來(lái)這一全過(guò)程在電極上進(jìn)行。由于導(dǎo)帶的電子具有較高的能量，因此即使水的分解電壓高于輔助電源太陽(yáng)電池的電壓，電子也能被送入電極。此外，空穴在價(jià)帶電子被激發(fā)走后形成，“正孔”是其中一部分，形成的原因是正電荷帶電。由于“正孔”極易氧化，將電子從其他物質(zhì)中奪取過(guò)來(lái)，因此在光電極側(cè)氧化水促使氧產(chǎn)生。在這種情況下，和只用點(diǎn)樣電池水分解制氫相比，光電極在分解水時(shí)位于低電位，性能一旦被提升，將極易實(shí)現(xiàn)整個(gè)體系的成本化。

3 新型氧化物半導(dǎo)體光電極合成的技術(shù)前景

光電極制作運(yùn)用三種半導(dǎo)體層疊的方法，并使水解反應(yīng)發(fā)生在濃度較高的碳酸鹽電解液中，能夠達(dá)到0.85%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率。進(jìn)一步層疊這樣的二塊光電極，將光封閉其中的結(jié)構(gòu)制作出來(lái)，同時(shí)使水解反應(yīng)發(fā)生在濃度較高的碳酸鹽電解液中，能夠達(dá)到1.35%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率[6]。氧化物光電極沒(méi)有添加貴重金屬，已經(jīng)使光電極的最高值翻了一倍。

在對(duì)水的分解過(guò)程中運(yùn)用這種層疊氧化物光電極的系統(tǒng)，從電極中產(chǎn)生氫的氣泡，從光電極中產(chǎn)生氧的氣泡。對(duì)現(xiàn)階段的材料進(jìn)行有效的利用能夠?qū)⑺纸獾碾娊怆妷航档椭辽?0%，有利于實(shí)現(xiàn)水分解制氫的低成本化。該技術(shù)顯著提升了光電極的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率，輔助電源電壓需要隨著光電流的增大而降低。半導(dǎo)體能夠?qū)﹂L(zhǎng)波長(zhǎng)的可見(jiàn)光進(jìn)行充分的利用，具有更大的導(dǎo)帶準(zhǔn)位負(fù)值和較高的電荷分離效率，這三個(gè)特征是其開(kāi)發(fā)變得更有意義。

目前，有關(guān)學(xué)者正在進(jìn)行高速篩選試驗(yàn)，試圖在較短的時(shí)間內(nèi)，在無(wú)數(shù)復(fù)合材料及各種組合中，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)的探尋并將其開(kāi)發(fā)出來(lái)，該機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)用最理想的半導(dǎo)體材料，具有最適合的多層組合膜結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在對(duì)材料進(jìn)行探索的基礎(chǔ)上，對(duì)光電極的調(diào)制方法進(jìn)行有效的改良，從而促進(jìn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率的顯著提升。未來(lái)在濃度較高的碳酸鹽中氧化還原碳酸離子，從而解明水分解的詳細(xì)機(jī)理，最終促進(jìn)水分解系統(tǒng)效率的顯著提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳偉才，周印華，溫善鵬.溶劑效應(yīng)對(duì)聚苯撐乙烯摻雜二酰亞胺太陽(yáng)電池性能的影響[J].物理學(xué)報(bào)，2007，8.

[2]戴松元，史成武，翁堅(jiān).染料敏化納米薄膜太陽(yáng)電池最新研究和產(chǎn)業(yè)化前景[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2005，1.

[3]馬廷麗.新型有機(jī)太陽(yáng)電池塑料薄膜化的研究進(jìn)展[J].化學(xué)進(jìn)展，2006，Z1.

[4]李書平，李成，陳松巖.半導(dǎo)體光電結(jié)構(gòu)材料及其應(yīng)用[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，2.

[5]日本開(kāi)發(fā)出新技術(shù)使太陽(yáng)能組件成本減半[J].中國(guó)電業(yè)（技術(shù)版），2012，6.

[6]羅文俊，于濤，鄒志剛.光電化學(xué)電極的研究及其在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用[J].物理，2006，6.

作者簡(jiǎn)介：賀少敏，男，佛山市南海天映辦公設(shè)備廠創(chuàng)始人，總經(jīng)理，高級(jí)工程師，全國(guó)復(fù)印機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員，中國(guó)計(jì)算機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)耗材專委會(huì)理事，廣東省打印耗材行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)員。

作者單位：佛山市南海天映辦公設(shè)備廠，廣東佛山 528241