CN108597974B - 一种基于n型单晶Si的高效光阴极的设计方法 - Google Patents

一种基于n型单晶Si的高效光阴极的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于n型单晶Si的高效光阴极的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.提供n型单晶Si片，对n型单晶Si片的正反两面进行制绒，并对制绒面进行清洗；S2.在步骤S1制绒后的n型单晶Si片的正面制作硼掺杂的p+发射极，反面制作磷掺杂的n+发射极，然后刻蚀Si片的边缘，并进行清洗；S3.在步骤S2中硼掺杂的p+发射极面上依次沉积Al2O3和ITO薄膜层；S4.在步骤S2中磷掺杂的n+发射极面上依次沉积Al2O3薄膜层、Ti和Pt金属层。本发明基于n型单晶Si的高效光阴极的设计方法使得Si光阴极的光电流密度明显提高，具有较高的光解水效率，同时稳定性增强、使用寿命长。

Description

一种基于n型单晶Si的高效光阴极的设计方法
技术领域
本发明涉及光电化学电池技术领域，特别是涉及一种基于n型单晶Si的高效光阴极的设计方法。
背景技术
随着全球能源需求的日益增长，可再生能源技术的发展对于社会经济发展的持续具有重要意义。氢气也被认为是“零排放”的高效清洁能源，它极具替代传统化石燃料的潜力。目前，工业生产的氢气大部分是通过煤和天然气等化石燃料的蒸汽重组来实现，生产成本高且生产过程附带碳排放。而太阳能光电化学(PEC)分解水是一种无碳排放的替代方案，光半导体材料(光阳极)能够吸收可再生和清洁的太阳能，并将其转化并储存到氢气中。其中，太阳光能-电能转换效率、长时间稳定工作及降低成本是光电化学电池领域中研究的重点。
而Si半导体是重要的电子工业和光伏材料，由于其低成本、理想的能带结构、优异的光电转化和电荷传输特性，使Si半导体成为极具潜力的光电化学电池制氢的电极材料。光电化学电池中光阴极的材料一般是选用p型Si片，为了提高光解水的开启电压，提出在p型Si表面制备一层n+层，但是会增加表面载流子的俄歇复合，使得光电子流受到限制。而且，Si光阴极在光分解水过程中，表面容易生成电绝缘性的氧化层，而为了提高Si光阴极的稳定性和光分解水的反应动力学，Si表面通常需要制备一层钝化保护层和负载适量的催化剂。但是，表面的保护层和催化剂会吸收部分太阳光，使得Si光阴极吸收的太阳光变少，不利于Si光阴极光电转换效率的提高。因此，针对上述问题，有必要提出一种新的基于n型单晶Si的高效光阴极的制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于n型单晶Si的高效光阴极的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，能有效的提高Si光阴极的光电转换效率和光电流密度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于n型单晶Si的高效光阴极的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.提供n型单晶Si片，对n型单晶Si片的正反两面进行制绒，并对制绒面进行清洗；
S2.在步骤S1制绒后的n型单晶Si片的正面制作硼掺杂的p+发射极，反面制作磷掺杂的n+发射极，然后刻蚀Si片的边缘，并进行清洗；
S3.在步骤S2中硼掺杂的p+发射极面上依次沉积Al2O3和ITO薄膜层；
S4.在步骤S2中磷掺杂的n+发射极面上依次沉积Al2O3薄膜层、Ti和Pt金属层。
优选的，步骤S1中，采用氢氧化钾溶液对所述n型单晶Si片的正反两面进行制绒。
优选的，所述氢氧化钾的质量百分浓度为2％，制绒过程中反应温度为80℃，反应时间为30min。
优选的，步骤S2中，采用高温退火的方法在所述p+发射极上掺杂硼元素，在所述n+发射极上掺杂磷元素，退火温度为950℃，退火时间为3小时。
优选的，步骤S3中，采用原子层沉积法在所述硼掺杂的p+发射极面上沉积Al2O3薄膜层，所述Al2O3薄膜层中使用的前驱体为三甲基铝，沉积温度为200℃，沉积时间为30min,所述Al2O3薄膜层的厚度为2±0.1nm。
优选的，采用磁控溅射法在所述硼掺杂的p+发射极的Al2O3薄膜层面上沉积ITO薄膜层，溅射功率为40W，氩气和氧气的流量比为30:1，溅射气压为0.5Pa，基片温度为250℃，沉积时间为5min，沉积完成后在真空条件下400℃退火1h，所述ITO薄膜层的厚度为50nm。
优选的，步骤S4中，采用原子层沉积法在所述磷掺杂的n+发射极面上沉积Al2O3薄膜层，所述Al2O3层薄膜中使用的前驱体为三甲基铝，沉积温度为200℃，沉积时间为30min，所述Al2O3薄膜层的厚度为2±0.1nm。
优选的，采用电子束蒸发的方法在所述磷掺杂的n+发射极的Al2O3薄膜层面上沉积Ti金属层，沉积温度为25℃，沉积时间为25s，所述Ti金属层的厚度为5±0.1nm。
优选的，采用电子束蒸发的方法在所述磷掺杂的n+发射极的Ti金属层面上沉积Pt金属层，沉积温度为25℃，沉积时间为10s，所述Pt金属层的厚度为2±0.1nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于n型单晶Si的高效光阴极的设计方法使得Si光阴极的光电流密度明显提高，具有较高的光解水效率，同时稳定性增强、使用寿命长。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
基于n型单晶Si的高效光阴极的设计
S1.取大小为2英寸的n型单晶Si片，采用3L质量百分浓度为2％的氢氧化钾溶液对n型单晶Si片的正反两面进行制绒，制绒过程中通过与加热器相连接的温度控制器将温度控制在80℃，反应时间控制在30min，并对制绒面进行清洗。
S2.在退火炉中采用高温退火的方法在p+发射极上掺杂硼元素，在n+发射极上掺杂磷元素，具体为：通过旋涂含硼和磷的胶体溶液，然后加热实现掺杂，胶体溶液购买于Futurrex公司，具体型号为：硼BDC1-2500，磷PDC5-2500，退火温度为950℃，退火时间为3小时，然后采用丝网印刷的方法在步骤S1制绒后的n型单晶Si片的正面制作硼掺杂的p+发射极，反面制作磷掺杂的n+发射极，丝网印刷方法采用丝网印刷机，最后采用反应离子Ar+刻蚀Si片的边缘，并进行清洗。
S3.在原子层沉积***中采用原子层沉积法对步骤S2中硼掺杂的p+发射极面上沉积Al2O3薄膜层，沉积的Al2O3薄膜层中使用的前驱体为三甲基铝，沉积温度为200℃，沉积时间为30min，沉积的Al2O3薄膜层的厚度为2±0.1nm；在磁控溅射沉积***中采用磁控溅射法在硼掺杂的p+发射极的Al2O3薄膜层面上沉积ITO薄膜层，所用靶材为ITO，包括90wt％In2O3和10wt％SnO2，溅射功率为40W，氩气和氧气的流量比为30:1，溅射气压为0.5Pa，基片温度为250℃，沉积时间为5min，沉积完后在真空条件下400℃退火1h，沉积的ITO薄膜层的厚度为50nm。
S4.在原子层沉积***中采用原子层沉积法对步骤S2中磷掺杂的n+发射极面上沉积Al2O3薄膜层，沉积的Al2O3薄膜层中使用的前驱体为三甲基铝，沉积温度为200℃，沉积时间为30min，沉积的Al2O3薄膜层的厚度为2±0.1nm；在电子束蒸发镀膜***中采用电子束蒸发的方法在磷掺杂的n+发射极的Al2O3薄膜层面上沉积Ti金属层，沉积温度为25℃，沉积时间为25s，沉积的Ti金属层的厚度为5±0.1nm；采用沉积Ti金属层的方法在磷掺杂的n+发射极的Ti金属层面上沉积Pt金属层，沉积温度为25℃，沉积时间为10s，沉积的Pt金属层的厚度为2±0.1nm。
对比例1
S1.取p型单晶Si片，采用质量百分浓度为2％的氢氧化钾溶液对p型单晶Si片的正反两面进行制绒，制绒过程中温度控制在80℃，反应时间控制在30min，并对制绒面进行清洗。
S2.在退火炉中采用高温退火的方法在p+发射极上掺杂硼元素，在n+发射极上掺杂磷元素，具体为：通过旋涂含硼和磷的胶体溶液，然后加热实现掺杂，胶体溶液购买于Futurrex公司，具体型号为：硼BDC1-2500，磷PDC5-2500，退火温度为950℃，退火时间为3小时，然后采用丝网印刷的方法在步骤S1制绒后的n型单晶Si片的正面制作硼掺杂的p+发射极，反面制作磷掺杂的n+发射极，丝网印刷方法采用丝网印刷机，最后采用反应离子Ar+刻蚀Si片的边缘，并进行清洗。
S3.在原子层沉积***中采用原子层沉积法对步骤S2中硼掺杂的p+发射极面上沉积Al2O3薄膜层，沉积的Al2O3薄膜层中使用的前驱体为三甲基铝，沉积温度为200℃，沉积时间为30min，沉积的Al2O3薄膜层的厚度为2±0.1nm；在磁控溅射沉积***中采用磁控溅射法在硼掺杂的p+发射极的Al2O3薄膜层面上沉积ITO薄膜层，所用靶材为ITO，包括90wt％In2O3和10wt％SnO2，溅射功率为40W，氩气和氧气的流量比为30:1，溅射气压为0.5Pa，基片温度为250℃，沉积时间为5min，沉积完后在真空条件下400℃退火1h，沉积的ITO薄膜层的厚度为50nm。
S4.在原子层沉积***中采用原子层沉积法对步骤S2中磷掺杂的n+发射极面上沉积Al2O3薄膜层，沉积的Al2O3薄膜层中使用的前驱体为三甲基铝，沉积温度为200℃，沉积时间为30min，沉积的Al2O3薄膜层的厚度为2±0.1nm；在电子束蒸发镀膜***中采用电子束蒸发的方法在磷掺杂的n+发射极的Al2O3薄膜层面上沉积Ti金属层，沉积温度为25℃，沉积时间为25s，沉积的Ti金属层的厚度为5±0.1nm；采用沉积Ti金属层的方法在磷掺杂的n+发射极的Ti金属层面上沉积Pt金属层，沉积温度为25℃，沉积时间为10s，沉积的Pt金属层的厚度为2±0.1nm。
将上述实施例1和对比例1经过处理后的n型单晶Si片和p型单晶Si片分别作为光阴极，进行电化学测试。其中n型单晶Si片的p+发射极面为光照面，n+发射极面与电解液接触；p型单晶Si片的p+发射极面为光照面，n+发射极面与电解液接触。用氙灯模拟太阳光光源，光强为：100毫瓦/平方厘米；所用的电解液为高氯酸，浓度为1mol/L。
电化学测试结果为：实施例1处理后的n型单晶Si片稳定性增强，在酸性溶液中连续光解水14天，在电压为0V(相对于可逆氢电位RHE)时，光电流密度为40.5mA/cm2，光电转化效率为12.23％。
对比例1处理后的p型单晶Si的光阴极，在酸性溶液中连续光解水100小时，在电压为0V(相对于可逆氢电位RHE)时，光电流密度为34mA/cm2，光电转化效率为10.3％。
结果显示，本发明基于n型单晶Si的高效光阴极的设计方法使n型单晶Si光阴极的光电流密度明显提高，具有较高的光解水效率，同时稳定性增强、使用寿命长。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于n型单晶Si的高效光阴极的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.提供n型单晶Si片，对n型单晶Si片的正反两面进行制绒，并对制绒面进行清洗；
S2.在步骤S1制绒后的n型单晶Si片的正面制作硼掺杂的p+发射极，反面制作磷掺杂的n+发射极，然后刻蚀Si片的边缘，并进行清洗；
S3.在步骤S2中硼掺杂的p+发射极面上依次沉积Al2O3和ITO薄膜层；
S4.在步骤S2中磷掺杂的n+发射极面上依次沉积Al2O3薄膜层、Ti和Pt金属层；
步骤S1中，采用氢氧化钾溶液对所述n型单晶Si片的正反两面进行制绒，所述氢氧化钾的质量百分浓度为2％，制绒过程中反应温度为80℃，反应时间为30min；
步骤S2中，采用高温退火的方法在所述p+发射极上掺杂硼元素，采用高温退火的方法在所述n+发射极上掺杂磷元素，退火温度为950℃，退火时间为3小时；
步骤S3中，采用原子层沉积法在所述硼掺杂的p+发射极面上沉积Al2O3薄膜层，所述Al2O3薄膜层中使用的前驱体为三甲基铝，沉积温度为200℃，沉积时间为30min，所述Al2O3薄膜层的厚度为2±0.1nm；采用磁控溅射法在所述硼掺杂的p+发射极的Al2O3薄膜层面上沉积ITO薄膜层，溅射功率为40W，氩气和氧气的流量比为30:1，溅射气压为0.5Pa，基片温度为250℃，沉积时间为5min，沉积完成后在真空条件下400℃退火1h，所述ITO薄膜层的厚度为50nm；
步骤S4中，采用原子层沉积法在所述磷掺杂的n+发射极面上沉积Al2O3薄膜层，所述Al2O3层薄膜中使用的前驱体为三甲基铝，沉积温度为200℃，沉积时间为30min，所述Al2O3薄膜层的厚度为2±0.1nm；采用电子束蒸发的方法在所述磷掺杂的n+发射极的Al2O3薄膜层面上沉积Ti金属层，沉积温度为25℃，沉积时间为25s，所述Ti金属层的厚度为5±0.1nm；
采用电子束蒸发的方法在所述磷掺杂的n+发射极的Ti金属层面上沉积Pt金属层，沉积温度为25℃，沉积时间为10s，所述Pt金属层的厚度为2±0.1nm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112126945B (zh) * 2020-09-28 2021-09-07 上海交通大学 一种磷化物修饰的硅基光电阴极材料及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101828266A (zh) * 2007-09-04 2010-09-08 英诺瓦莱特公司 Ⅳ族纳米颗粒结以及由其构成的设备
CN104900412A (zh) * 2015-04-03 2015-09-09 苏州大学 双界面调控的n型单晶硅的处理方法
CN105489712A (zh) * 2016-02-01 2016-04-13 苏州阿特斯阳光电力科技有限公司 一种n型背结太阳能电池的制作方法
CN106086933A (zh) * 2016-07-27 2016-11-09 苏州大学 一种硅光阴极及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101828266A (zh) * 2007-09-04 2010-09-08 英诺瓦莱特公司 Ⅳ族纳米颗粒结以及由其构成的设备
CN104900412A (zh) * 2015-04-03 2015-09-09 苏州大学 双界面调控的n型单晶硅的处理方法
CN105489712A (zh) * 2016-02-01 2016-04-13 苏州阿特斯阳光电力科技有限公司 一种n型背结太阳能电池的制作方法
CN106086933A (zh) * 2016-07-27 2016-11-09 苏州大学 一种硅光阴极及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
11.5% efficiency of TiO2 protected and Pt catalyzed n+np+-Si photocathodes for photoelectrochemical water splitting: Manipulating the Pt distribution and Pt/Si contact;Zhihao Yin等;《The Royal Society of Chemistry》;20171231;全文 *
基于p与n型硅基片的光解水光阴极的研究;范荣磊;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》;20160115;第四章 *

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