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基本信息

作品名稱:
石墨烯/硅復(fù)合材料光電極的制備、表征及光電轉(zhuǎn)化性能研究
大類:
自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文
小類:
能源化工
簡介:

本項(xiàng)目制備出石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)光電極,并通過SEM,TEM,Raman等手段對光電極進(jìn)行了表征,通過XPS分析了光電極的表面成分,通過SPV,IV測試研究了光電極的光電化學(xué)性質(zhì)。研究結(jié)果表面:制備的石墨烯/硅光電極能夠在水溶液中使用,光電流顯著高于硅片,而且非常穩(wěn)定。
項(xiàng)目成果以研究型論文的形式,于2011年在期刊Applied Surface Science上發(fā)表。

詳細(xì)介紹:

石墨烯是一種零禁帶半導(dǎo)體材料,具有比表面積大,電子遷移率高,透明性好等特點(diǎn),可作為透明電極使用。當(dāng)石墨烯與光響應(yīng)材料結(jié)合成異質(zhì)結(jié)后,入射光可以透過石墨烯薄膜激發(fā)底層光響應(yīng)材料產(chǎn)生光致空穴-電子對,電子和空穴在異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場的作用下反向移動。由于石墨烯電子遷移率高,被內(nèi)建電場分離的電子到達(dá)石墨烯后迅速遷移,實(shí)現(xiàn)提高光響應(yīng)材料的光電轉(zhuǎn)化效率。
目前報道的石墨烯/硅復(fù)合材料的制備方法的缺點(diǎn)石墨烯與基底的結(jié)合不牢固。在溶液環(huán)境中,由于水的沖擊作用,石墨烯薄膜很容易脫落,復(fù)合材料的光電轉(zhuǎn)化能力經(jīng)常會被破壞,很難在水溶液中使用
項(xiàng)目通過電泳沉積法制備了石墨烯/硅光電極。通過煅燒過程光電極,石墨烯薄膜與硅基底之間形成Si-C化學(xué)鍵,提高了光電極在水溶液中的穩(wěn)定性及光電轉(zhuǎn)化能力。因此,制備的光電極在光催化降解污染物及太陽能制氫領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值。
實(shí)驗(yàn)中,我們對石墨烯及光電極的制備條件進(jìn)行了探索。最終,我們通過高溫裂解石墨氧化物的方法制備了石墨烯,通過電泳沉積法制備了光電極,最后光電極在400℃下被煅燒即得到成品。
我們通過透射電子顯微鏡(TEM),掃面電子顯微鏡(SEM)觀察了石墨烯的形貌:TEM表明,制備的石墨烯呈薄片狀,邊緣有很多褶皺,有明顯的石墨烯特征;SEM表明,石墨烯完全覆蓋在硅基底表面。我們通過拉曼光譜(Raman)對光電極進(jìn)行了表征,譜圖上清晰地呈現(xiàn)了硅基底的特征峰以及石墨烯的G峰,D峰2D峰等特征峰。
上層半導(dǎo)體厚度對異質(zhì)結(jié)光轉(zhuǎn)換性能影響較大。我們通過改變電泳時間調(diào)控石墨烯層厚度,通過表面光電壓譜(SPV)測試了樣品的表面光相應(yīng)。測試結(jié)果表明:當(dāng)電泳時間為10s時,光電極的光相應(yīng)能力最好。
煅燒過程是提高光電極機(jī)械及化學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵步驟,我們對煅燒溫度進(jìn)行了探索,分別測試了不煅燒及煅燒250℃,300℃,350℃,400℃,450℃條件下,光電極在稀硫酸溶液中循環(huán)伏安曲線。測試結(jié)果表明:隨著煅燒溫度的升高至400℃,光電極的光電流強(qiáng)度及電流穩(wěn)定性均有所提高;但在煅燒溫度為450℃條件下,電極的光相應(yīng)能力被破壞。
X射線光電子能譜分析(XPS)解釋了上述現(xiàn)象的原因,光電極經(jīng)過400℃煅燒后,石墨烯與硅基底行程Si-C化學(xué)鍵,增強(qiáng)了二者的結(jié)合牢度;但光電極經(jīng)過450℃煅燒后,硅基底表面形成了一層SiO2,阻斷了石墨烯與基底間的電子轉(zhuǎn)移,因此電極的光相應(yīng)能力被破壞。
最后我們通過線性伏安法研究了光電極的光相應(yīng)能力:與硅基底相比,光電極在暗態(tài)和光照態(tài)下均有更強(qiáng)的電流響應(yīng)。這種增強(qiáng)可以歸因于石墨烯的高電子遷移率及硅/石墨烯異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有效的光致電荷分離。
這一成果利用石墨烯作為保護(hù)層,實(shí)現(xiàn)了硅作為光轉(zhuǎn)換材料在水溶液中的使用,使在太陽能光伏領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的硅材料有望應(yīng)用于光解水產(chǎn)氫和光催化降解污染物等領(lǐng)域。

獲獎情況:

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎
1.作品獲第十屆“挑戰(zhàn)杯”遼寧省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽“特等獎”。
2.文章于2011年在Applied Surface Science(SCI,IF=1.616)上發(fā)表。
檢索:Applied Surface Science 257 (2011) 7714–7718(項(xiàng)目負(fù)責(zé)人為第一作者)

作品圖片

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