CN107845848B - 用于人工光合作用的氮化镓基器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于人工光合作用的氮化镓基器件，自下而上有玻璃衬底、钼层、CIGS层、CdS层、本征ZnO层、TCO层、键合界面层、GaN层、InGaN层、NiO纳米颗粒层。其制备步骤如下：在玻璃衬底上沉积钼层，在其上共蒸发生长CIGS层，再依次沉积CdS层、ZnO层、TCO层；在GaN衬底上生长InGaN层；通过键合技术将GaN衬底键合于TCO层上，再在InGaN层表面生长NiO纳米颗粒层，获得用于人工光合作用的氮化镓基器件。本发明的氮化镓基器件具有吸收系数高、电流易调整且稳定性高的优点，可作为光阳极材料用于人工光合作用中，对减少二氧化碳排放以及新能源的开发利用具有非常重要的意义。

Description

用于人工光合作用的氮化镓基器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基器件，尤其涉及一种用于人工光合作用的氮化镓基器件及其制备方法。
背景技术
随着煤炭、石油等化石燃料的日益枯竭,人类正面临着巨大的能源危机,而消耗这些化石燃料的同时，也导致全球气候变暖，环境污染及臭氧层空洞等环境问题。
光合作用是植物、藻类和某些细菌，在可见光的照射下，将二氧化碳(或硫化氢)和水转化为有机物，并释放出氧气(或氢气)的生化过程。早在20世纪90年代就有研究者提出了人工光合作用的概念。之后，人工模拟光合作用经历了由简单到复杂，从经典的共价键体系进入超分子化学，化学分子自组装的方式，从脂溶性溶剂到水溶性溶剂这样一个逐步发展的过程，利用人工光合作用技术不仅能光解水，还可将CO2还原为CO、HCOOH，CH3OH,CH3COOH等。发展至今，人工光合作用系统主要有两个方向:第一个是模拟自然光合作用系统设计制备的有机超分子；第二个是利用无机半导体材料的光催化特性设计制备的人工光催化体系。
无机半导体材料光催化性能的研究可追溯到1972年，Fujishima和Honda等发现了本田藤岛效应：单晶电极与Pt电极相连放入水中，在太阳光的照射下，水能被分解成氧气和氢气。第三代半导体材料GaN在半导体照明和功率器件中获得了最广泛应用，同时也是为数不多可同时满足CO2还原和H2O氧化条件的光催化材料,GaN的电子亲和势比应用于光催化的氧化物材料要小很多，因此在光制氢和CO2减排方面显示了巨大应用。基于GaN材料的太阳光电化学电池成为人工光合作用的有效途径之一，以GaN材料作为光阳极驱动H2O的氧化，In棒作为阴极进行CO2的还原固定，另外光阳极可采用GaN与传统光伏电池串行结构以促进对太阳光可见光区域的吸收。2011年，日本丰田公司首次成功实现人工光合作用，但能源的转换效率只有0.04％。2012年，日本松下公司的研究人员通过调整氮化物半导体的电子状态，高效吸收光能促进了反应，成功达到了与植物同等的0.2％的转化效率。2015年，松下公司通过不断系统器件的材料和结构，最终基于InGaN/Si串行结构制备的光伏化学电池实现了将CO2转为HCOOH，其转换效率达到0.97％。这三项研究都采用硅基电池，系统光电流不匹配，并且GaN/Si之间存在较大的界面反射，会进一步降低器件性能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于人工光合作用的氮化镓基器件，该器件可作为光阳极材料，实现高效人工光合作用。
本发明的用于人工光合作用的氮化镓基器件，自下而上依次有玻璃衬底、钼层、Cu(In,Ga)Se2层、CdS缓冲层、本征ZnO层、TCO层、键合界面层、n型GaN层、InGaN层、NiO纳米颗粒层。
所述的InGaN层为In0.2Ga0.8N；所述的键合界面层的键合电阻小于1×10-4Ωcm2，且透光率大于95％。
制备上述氮化镓基器件的方法，包括如下步骤：在玻璃衬底上沉积钼层，再采用共蒸发技术在钼层上生长Cu(In,Ga)Se2层，在Cu(In,Ga)Se2层上再依次沉积CdS缓冲层、本征ZnO层和TCO层；采用分子束外延技术在n型GaN衬底上生长InGaN层；通过键合技术将上述GaN衬底键合于上述TCO层上，使得键合界面的键合电阻小于1×10-4Ωcm2，且透光率大于95％；再在InGaN层表面通过电化学沉积法生长NiO纳米颗粒层，获得用于人工光合作用的氮化镓基器件。
本发明的氮化镓基器件采用独特的电池结构，具有吸收系数高、电流易调整且稳定性高的优点，且器件表面采用NiO纳米颗粒作为助催化剂，可有效促进电荷分离，减小空穴-电子对的复合。将该器件作为光阳极材料用于人工光合作用中，可实现将CO2转化为HCOOH等有机物，且转换效率可达到1％以上，对减少二氧化碳排放以及新能源的开发利用具有非常重要的意义。
附图说明
图1是本发明的氮化镓基器件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的用于人工光合作用的氮化镓基器件，自下而上依次有玻璃衬底、钼层、Cu(In,Ga)Se2层、CdS缓冲层、本征ZnO层、TCO层、键合界面层、n型GaN层、In0.2Ga0.8N层和NiO纳米颗粒层。
其制备方法如下：
1)在洁净的玻璃衬底上采用磁控溅射法沉积钼层，再采用共蒸发技术在钼层上生长Cu(In,Ga)Se2层，再在CIGS层上依次沉积CdS缓冲层、i-ZnO层和TCO层；
2)采用分子束外延技术在洁净的n型GaN衬底上生长In0.2Ga0.8N层；
3)通过晶片键合工艺将上述GaN衬底键合于上述TCO层上，使得键合界面的键合电阻小于1×10-4Ωcm2，且透光率大于95％；
4)再在In0.2Ga0.8N层表面通过电化学沉积法沉积NiO纳米颗粒层，获得用于人工光合作用的氮化镓基器件。
以上述氮化镓基器件作为光阳极材料，电解质选用5M NaOH；以In棒作为光阴极，电解质选用0.5M KHCO3；进行光合作用实验，可实现将CO2转化为HCOOH等有机物，其转换效率达到1％以上。

Claims (2)

1.一种用于人工光合作用的氮化镓基器件，其特征在于，该器件自下而上依次有玻璃衬底、钼层、Cu(In,Ga)Se2层、CdS缓冲层、本征ZnO层、TCO层、键合界面层、n型GaN层、InGaN层、NiO纳米颗粒层；所述的InGaN层为In0.2Ga0.8N；所述的键合界面层的键合电阻小于1×10-4Ωcm2，且透光率大于95％。
2.制备权利要求1所述的氮化镓基器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：在玻璃衬底上沉积钼层，再采用共蒸发技术在钼层上生长Cu(In,Ga)Se2层，在Cu(In,Ga)Se2层上再依次沉积CdS缓冲层、本征ZnO层和TCO层；采用分子束外延技术在n型GaN衬底上生长In0.2Ga0.8N层；通过键合技术将上述GaN衬底键合于上述TCO层上，使得键合界面的键合电阻小于1×10-4Ωcm2，且透光率大于95％；再在In0.2Ga0.8N层表面通过电化学沉积法生长NiO纳米颗粒层，获得用于人工光合作用的氮化镓基器件。
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