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氧化物半导体光电极的性能提升及应用

蒋良兴  
【摘要】:金属氧化物由于具有性能稳定、容易制备且形貌易控制等特性,是光电催化用理想电极材料。但氧化物半导体材料大多数带隙较宽,对可见光的吸收能力较弱、缺陷多,载流子易复合等问题,需要对其光吸收能力、载流子分离能力和载流子注入能力进行提升。近年来,通过构建异质结、调控缺陷等手段提升氧化物半导体的性能,并探索了其光电化学应用。(1)通过化学水浴法在WO_3纳米片阵列表面生长CdS构建了WO_3/Cd S异质结。一方面CdS的窄带隙和高光吸收系数拓宽了光阳极的光吸收范围,提高了光吸收能力;另一方面CdS与WO_3形成了TypeII交叉型异质结,可显著促进光生截流子的分离,从而使复合光阳极的光响应起始电位由0.6V提前到0.2V,光电流密度由0.1mA/cm~2提升到1.37mA/cm~2(@0.8V,AM1.5,Na_2SO_4溶液)。将所得复合光阳极用于溶液中痕量Cu~(2+)的检测,具有检出限低(0.06μM)、检测范围宽(0.5μM~(-1) mM)、稳定性强和选择性高的优点。(2)通过后硫化法将层级多孔Bi_2O_3纳米片薄膜无损硫化成硫化铋薄膜,提高光电极的可见光吸收能力;通过二次热处理减少薄膜本体和表面的硫缺陷,大大提高光阳极的载流子分离能力;通过负载CoOx纳米颗粒,一方面补偿薄膜表面的S空位,另一方面降低水氧化过程的活化能,从而提高电极/溶液界面的载流子注入效率,使光阳极的光响应电流高达7m A/cm~2(@1.23V,AM1.5,Na_2SO_4溶液)。(3)通过后硫化法将Sb_2O_3单晶阵列部分硫化获得Sb_2O_3/Sb_2S_3同金属异质结,将电极的光响应电流密度提高了40倍。

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