用于光电化学电池的一维Si纳米结构复合光电极研究

One-dimensional (1D) Si nanostructures hold great promise in photoelectrochemical cells (PECCs) for solar energy conversion and storage. However, demerits such as poor stability, low photovoltage and inefficient photogenerated charge carrier collection efficiency are hindering their practical application in PEECs. In this proposal, we aim at conquering these drawbacks and enhancing the PECC performances of 1D Si nanostructures-based photoelectrochemical cells by the strategy of designing and constructing composite photoelectrode, i.e. modifying and coupling 1D Si nanostructures with other semiconductors. We plan to enhance stability of the photoelectrodes and realize electron transfer between Si and other components through surface modification of 1D Si nanostructures with organic molecules, metals or conductive compounds. Photovoltage will be promoted by reasonable designing and tuning bands of each component of the photoelectrode. The collection efficiency of photo-induced carriers will be enhanced by controlling the surfaces and interfaces of the composite photoelectrodes. Efforts will be devoted to revealing the dependence of the PECCs performances of the composite photoelectrodes on the architectures, micro-morphologies and sizes of the components. Moreover, special insights will be gave into the charge separation, transfer, transportation and recombination mechanisms at the various hetero junctions, hetero interfaces and surfaces of the OSiNs-based composite photoelectrodes, as well as their impact on the PECC performances. We hope that the prospective results will shed some new light on fabricating and promoting the PECC solar conversion efficiency of Silicon-based composite photoelectrodes and understanding their inner working mechanisms.

光电化学电池是清洁能源领域的一个重要发展方向。一维Si纳米结构在光电化学电池领域表现出重要的应用前景。目前基于一维Si纳米结构的光电化学电池面临着稳定性差、光电压低、光生载流子收集效率不高等关键问题。针对这些问题，本项目拟设计并制备一维Si纳米结构复合光电极。通过对一维Si纳米结构的表面修饰，解决其稳定性问题，同时实现Si与复合组分间的有效电荷传输；通过设计和优化复合光电极各组分能带，提高光生电压；通过对复合光电极表/界面的调控，提高光生载流子收集效率。本项目将深入研究复合光电极组成、结构、制备方法等对基于一维Si纳米结构的光电化学电池性能（光电流、光电压、光转化效率、稳定性、重复性等）的影响，阐明光生载流子在复合光电极内的分离、转移、输运和复合过程，揭示复合光电极表/界面结构对光电化学电池性能影响的机制和规律。研究成果将为发展基于Si材料的光电化学电池奠定坚实的理论和实验基础。

在国家自然科学基金重大研究计划培育项目的资助下，我们围绕用于太阳能分解水制氢的一维Si纳米结构复合光电极开展研究工作。在全体项目组成员的共同努力下，全面实现了本项目设定的研究目标。首先，通过调控金属辅助化学刻蚀过程中的一些关键参数，实现了Si纳米线阵列的可控制备和优化。在此基础上，我们设计并制备了一系列基于一维Si 纳米结构的复合光电极，解决了一维Si 纳米结构光电化学电池稳定性差、光生电压较低、光电流较小等问题。将化学刻蚀法和高温热分解法相结合，我们制备了Si/Fe2O3纳米线阵列、Si/Cu2O纳米线阵列、Si/NiOx纳米线阵列和Si/CoOx纳米线阵列复合光电极。在模拟AM 1.5G 光照下，Si/Fe2O3纳米线阵列复合光电极的光电流开启电位为0.5 V vs RHE，在1.23V vs RHE时光电流达到5.28 mA/cm2。将化学刻蚀法和脉冲激光沉积法、电化学沉积法相结合，制备了Si/SrTiO3纳米线阵列和Si/MoOx纳米线阵列复合光电极。通过对复合光电极的光物理、光化学及光电化学表征和研究，揭示了光生载流子的分离、转移、输运、复合机制，阐明了一维Si 纳米结构复合光电极的表面和界面结构对光电化学电池性能的影响机制和规律。在对这些规律理解和掌握的基础上，我们发展了一种利用光电化学处理提高Si/金属氧化物纳米线阵列复合光电极性能的方法。此外，我们还研究了Si纳米线的表面功能化修饰对其光、电等性能的影响，以及修饰分子和半导体之间的电荷转移过程。基于以上研究结果，我们发表SCI论文11篇，申请发明专利10项。在项目执行过程中，博士毕业生5名。