基于硅纳米线阵列的光电化学响应改性及其应用

摘要

一维硅纳米线阵列由于其特有的形貌和独特的理化性质，在太阳能转换、光探测器、锂离子电池、热电器件、气体和化学传感器等领域有巨大的应用前景。采用“金属辅助化学刻蚀法”制备的硅纳米线阵列继承了硅基底的电学特性，所得结构与基底紧密相连成一体，有利于载流子在纳米结构与基底间迁移，其径向结构有利于载流子分离，同时更大的比表面积可以提升光吸收效率。因此，硅纳米线阵列以其优异的性能在光电能源领域引起了极大的兴趣和研究热潮。然而，基于硅纳米线阵列的光电化学电池以及光解水体系仍存在诸多问题，如光电流密度较小且光电化学响应稳定性差；不能实现低成本下无偏压辅助的完全光解水等。
　　本论文通过金属辅助化学刻蚀法制备了尺度均一、形貌可控的硅纳米线（SiNWs）阵列，在此基础上构筑纳米颗粒修饰和金属氧化物包覆的硅纳米线阵列光电极，并分别配置成光电化学电池以及光解水体系，对其光电化学性能进行研究。
　　1.提出了一种新型Si纳米线基光电化学电池电极改性方法。以金属辅助化学刻蚀法制得形貌均匀可控Si纳米线阵列，选取其中特定Si纳米线（长度约3μm，单根直径30-100nm）进行表面改性，以提高其光电化学响应。用热还原法制得的Ag纳米颗粒（粒径～50nm）对SiNWs进行修饰，其饱和光电流密度大幅提升且达到饱和光电流所需电压降低，但衰减更加严重；通过原子层沉积法在表面沉积TiO2（厚度2nm）钝化层后，稳定性极大提升；在上述Ag纳米颗粒的表面包裹一层厚度为10nm的SiO2层，抑制金属纳米颗粒-硅界面处载流子捕获或复合，饱和光电流密度进一步提升，同时仍能维持很好的稳定性。最终，改性后的SiNWs相对于未加修饰的SiNWs饱和光电流提升40％，达到饱和光电流时所需外加偏压减小0.8V，10h连续光照测试下光电流密度几乎无衰减，表现出优异的光电化学性能。
　　2.设计并实验制备BiVO4/Si纳米线阵列双层电极高效光解水体系。以SiNWs为基底，通过浸渍-煅烧循环法生长BiVO4薄膜，并对其形貌进行调控，同时进行材料表征。配置BiVO4/SiNWs电极光解水体系，同时对其进行了光电化学响应测试，结果显示该光电极已有一定光响应，仅在大偏压下光生载流子才可提取，无偏压或小偏压时光电流密度较小，影响系统性能的关键因素需要进一步探索与解决。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 硅纳米线阵列的制备方法

1.3 硅纳米线阵列的物理性质

1.4硅纳米线阵列的太阳能转换应用

1.5 本文研究意义及主要内容

第二章 实验方法及样品表征

2.1 实验方法

2.2 样品表征

第三章 Si纳米线阵列的光电化学响应改性

3.1 引言

3.2 Si纳米线阵列腐蚀形貌表征与分析

3.3 Si纳米线阵列修饰纳米颗粒的形貌表征与分析

3.4 AgNPs修饰的硅纳米线阵列光电化学响应的特性

3.5 TiO2钝化硅纳米线阵列光电化学响应的特性

3.6 本章小结

第四章 BiVO4/Si纳米线阵列双层电极光解水初探

4.1 引言

4.2 BiVO4/Si纳米线阵列形貌分析与调控

4.3 材料表征与光电化学性能测试

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

致谢