一種氧化鋅光陽極薄膜及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電化學(xué)水分解制氫的方法，特別涉及一種氧化鋅光陽極薄膜及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]利用太陽能被認(rèn)為是解決未來能源危機(jī)的一種有效途徑。光電化學(xué)(PEC)電池的核心部件為半導(dǎo)體光電極，主要分為光陽極和光陰極。兩者均作為光吸收層存在，不同的是前者利用光生空穴進(jìn)行水的氧化作用生成氧氣，而后者利用光生電子進(jìn)行水的還原作用生成氫氣。Ti02、ZnO、FeOjP WO 3等金屬氧化物在PEC結(jié)構(gòu)中主要作為光陽極存在。憑借有利的帶隙位置、高的光化學(xué)活性、大儲量、低成本和無毒等優(yōu)勢，ZnO薄膜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光陽極。
[0003]但是當(dāng)前的氧化鋅制備技術(shù)主要局限于化學(xué)溶液方法。包括利用水熱法、浸漬提拉方法和化學(xué)沉積籽晶層與電化學(xué)輔助沉積相結(jié)合的方法等。雖然這些方法均改善了 ZnO的PEC性能，但是其制備方法較繁瑣，成本較高而且不利于薄膜的大面積沉積，所以對于ZnO光陽極材料的普適性有較大影響。因此，我們急需找到一種新的制備ZnO光陽極材料的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是針對上述存在的問題，提供一種氧化鋅光陽極薄膜及其制備方法和應(yīng)用，該制備方法利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)在FTO襯底上制備氧化鋅光陽極，在保證具有較好光電化學(xué)電池性能的基礎(chǔ)上，降低氧化鋅光陽極制備的繁瑣性和生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)氧化鋅光陽極的大面積沉積，其制備方法工藝簡單、沉積溫度低、制備時(shí)間短、易于實(shí)施且重復(fù)性較好。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]一種氧化鋅光陽極薄膜，利用MOCVD技術(shù)在絨面的FTO襯底表面沉積制備，其中FTO層的厚度為600nm，厘米電阻為20Ω、光學(xué)帶隙為2eV ;氧化鋅光陽極薄膜的厚度為1.5-7.5 μ m、厘米電阻為500 Ω、光學(xué)帶隙寬度為3.2eV。
[0007]一種所述氧化鋅光陽極薄膜的制備方法，以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、載氣攜帶氣體為Ar氣、包括以下步驟:
[0008]I)將FTO襯底置于純度為99.7%的無水乙醇的容器中超聲清洗30min，之后利用高純N2吹干，并用高溫膠帶在FTO襯底上預(yù)留未沉積ZnO的電子傳輸電極；
[0009]2)將以上處理后的FTO樣品放置于單腔室MOCVD沉積系統(tǒng)的腔室中沉積薄膜，腔室的本底真空為0.03Torr、腔室的真空度為ITorr、沉積溫度為155°C、二乙基鋅(DEZn)流量為180sccm、H20流量為llOsccm、摻雜氣體B2H6的原始稀釋比為I %、稀釋氣體為H 2，B2H6流量為0-7sccm、沉積時(shí)間為25-175min、Zn0薄膜厚度為1.5-7.5 μ m，在絨面FTO襯底上制得“類金字塔”狀氧化鋅光陽極薄膜。
[0010]一種所述氧化鋅光陽極薄膜的應(yīng)用，作為光電化學(xué)電池的光陽極用于以絨面FTO為襯底的光陽極PEC電解水，光電化學(xué)電池的光陰極為鉑絲、參比電極為Ag/AgCl溶液、電解液是濃度為0.5M的NaSO4溶液并利用0.0lM的NaOH溶液將其pH調(diào)為7、測試面積為
0.2826cm2、光強(qiáng)為 100mW/cm2。
[0011 ] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0012]該制備方法工藝簡單、沉積溫度低、制備時(shí)間短、易于實(shí)施且重復(fù)性較好；制備的ZnO光陽極薄膜具有“類金字塔”狀形貌可以改善ZnO光陽極對入射光的吸收，進(jìn)而增加光陽極對入射光的利用；其作為光電化學(xué)電池的光陽極用于光陽極電解水，可以提高ZnO光陽極的普適性。
【附圖說明】
[0013]圖1為該方法制備的氧化鋅光陽極的表面形貌。
[0014]圖2為該方法制備氧化鋅光陽極光PEC電解水的過程示意圖。
[0015]圖3為該方法制備氧化鋅光陽極的光電流密度曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1:
[0017]—種氧化鋅光陽極薄膜，利用MOCVD技術(shù)在絨面的FTO襯底表面沉積制備，其中FTO層的厚度為600nm，厘米電阻為20 Ω、光學(xué)帶隙為2eV ;ZnO光陽極薄膜的厚度為
1.5-7.5 μπκ厘米電阻為500 Ω、光學(xué)帶隙寬度為3.2eV ;其制備方法是以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、載氣攜帶氣體為Ar氣、包括以下步驟:
[0018]I)將FTO襯底置于純度為99.7%的無水乙醇的容器中超聲清洗30min，之后利用高純N2吹干，并用高溫膠帶在FTO襯底上預(yù)留未沉積ZnO的電子傳輸電極；
[0019]2)將以上處理后的FTO樣品放置于單腔室MOCVD沉積系統(tǒng)的腔室中沉積薄膜，腔室的本底真空為0.03Torr、腔室的真空度為ITorr、沉積溫度為155°C、二乙基鋅(DEZn)流量為180sccm、H2O流量為11080011、沉積時(shí)間為25111；[11、2110薄膜厚度為1.5 μ m，在絨面FTO襯底上制得“類金字塔”狀氧化鋅(ZnO)光陽極薄膜。
[0020]圖1為該方法制備的氧化鋅光陽極的表面形貌，圖中顯示:M0CVD在FTO襯底上沉積氧化鋅樣品的表面形貌為尖銳的金字塔狀。
[0021]所制備的氧化鋅光陽極薄膜的應(yīng)用，作為光電化學(xué)電池的光陽極用于以絨面FTO為襯底的光陽極PEC電解水，光電化學(xué)電池的光陰極為鉑絲、參比電極為Ag/AgCl溶液、電解液是濃度為0.5M的NaSO4溶液并利用0.0lM的NaOH溶液將其pH調(diào)為7、測試面積為0.2826cm2、光強(qiáng)為 100mW/cm2。
[0022]圖2為該方法制備氧化鋅光陽極光PEC電解水的過程示意圖，圖中表明:氧化鋅光陽極可以在低外加電壓下將太陽能轉(zhuǎn)換為氫能，氫的燃燒產(chǎn)物為水，從而彌補(bǔ)太陽能的地域局限性，滿足世界地可持續(xù)發(fā)展能源的戰(zhàn)略決策。
[0023]該方法制備氧化鋅光陽極的光電流密度曲線如圖3所示，圖中表明！MOCVD-ZnO作為光陽極用于光電化學(xué)電池在0.62V vs.Ag/AgCl得到的光電流密度為0.30mA/cm2。
[0024]實(shí)施例2:
[0025]一種氧化鋅光陽極薄膜的制備方法，與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于:步驟2)中的沉積時(shí)間為75min，ZnO薄膜厚度為2.5 μ m，在絨面FTO襯底上制得“類金字塔”狀氧化鋅(ZnO)光陽極薄膜。
[0026]該方法制備的氧化鋅光陽極的表面形貌與實(shí)施例1相同。
[0027]所制備的氧化鋅光陽極薄膜的應(yīng)用方法與實(shí)施例1相同，該方法制備氧化鋅光陽極的光電流密度曲線如圖3所示，圖中表明:M0CVD-Zn0作為光陽極用于光電化學(xué)電池在0.62V vs.Ag/AgCl下得到的光電流密度為0.37mA/cm2。
[0028]實(shí)施例3:
[0029]一種氧化鋅光陽極薄膜的制備方法，與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于:步驟2)中的沉積