CN109943857A - 一种硅基光电极、及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅基光电极、及其制备方法和用途。所述硅基光电极包括Si层和依次设置于所述Si层表面的钝化层、缓冲层和催化保护层。本发明所述硅基光电极中钝化层、缓冲层和催化保护层皆为致密的薄膜材料，其中，催化保护层具有良好的电催化活性，能有效降低反应过电势的同时，在溶液中还能够保持良好的稳定性；Si层表面的钝化层可以降低Si的表面态，减少费米能级钉扎，抑制电子和空穴在硅表面复合；缓冲层可以保护钝化层在制备催化保护层过程中不被破坏，并且从热力学和动力学两方面提高电极的光电性能。
Description
技术领域
本发明属于光电催化领域，具体涉及一种硅基光电极、及其制备方法和用途。
背景技术
光电化学分解水是将太阳能转化成清洁能源是解决能源危机和环境污染的有效途径之一。光电化学分解水包括两个半反应：在阴极发生水的还原产生氢气，在阳极发生水的氧化产生氧气。与还原反应相比，涉及四电子转移过程的析氧反应由于其缓慢的动力学和较高的过电势而面临更严峻的挑战。因此，设计一种稳定高效的光阳极以实现可用的太阳能水分解至关重要。
n-Si作为一种良好的光阳极材料，近年来受到了研究人员的广泛关注。Si不仅在地球上储量丰富，成本相对低廉，而且其带隙约为1.12eV，光谱响应范围很宽；块体内部缺陷少，具有较高的载流子迁移率和载流子寿命。然而n型硅作为光阳极时还面临一些挑战。Si在溶液中的稳定性较差，在水氧化条件下极易发生光腐蚀，生成绝缘的SiO2，阻止了反应的进一步进行；另外，Si作为一种光吸收材料，并不具有产氧(OER)催化活性，使得OER过电势较高。这些缺点极大地限制了它的广泛应用。为了获得高效稳定的Si基光阳极，对Si进行适当的表面修饰是非常必要的。
CN108203834A公开了一种三元复合硅基光电极及其制备方法，所述方法包括以下步骤：S1、提供一硅片，刻蚀在硅片表面形成纳米结构；S2、采用滴液法将量子点二硫化钼分散液分散到硅片表面，在硅片表面形成量子点二硫化钼；S3、在硅片表面继续沉积活性薄膜层，活性薄膜层包括钴、镍、钴化合物、镍化合物中的一种或多种，得到三元复合硅基光电极。所述方法得到的三元复合硅基光电极光电化学活性较差，且成本较高。
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因此，本领域亟需制备出一种高效稳定低成本的Si基光阳极，不但能获得较高的光电化学活性，还能具有良好的稳定性，以实现有效的光电化学水氧化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种硅基光电极、及其制备方法和用途。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种硅基光电极，所述硅基光电极包括Si层和依次设置于所述Si层表面的钝化层、缓冲层和催化保护层。
本发明所述硅基光电极中钝化层、缓冲层和催化保护层皆为致密的薄膜材料，其中，Si层表面的钝化层可以钝化Si的表面态，抑制电荷在硅表面复合；缓冲层可以保护钝化层在制备催化保护层过程中不被破坏，并且从热力学和动力学两方面提高电极的光电性能；催化保护层具有良好的电催化活性，能有效降低反应过电势，同时，在溶液中还能够保持良好的稳定性。
优选地，所述钝化层包括Al2O3层、TiO2层、SiOx层和ZrO层中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述缓冲层包括Ni层、Co层和NiFe合金层中的任意一种或至少两种的组合。
本发明中首次引入Ni层来进行Si与电催化剂的界面调控，Ni层一方面能够保护基底在溅射过程中不被破坏，另一方面又能从动力学和热力学两方面来提高电极的光电性能。
优选地，所述催化保护层包括过渡金属掺杂NiOx层、CoOx层和MoOx层中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述掺杂的过渡金属包括Fe、Co、Nb、Ru和Mo中的任意一种或至少两种的组合。
本发明选择过渡金属掺杂NiOx层，相对于其他过渡金属，采用Fe进行掺杂能有效提高NiOx的电催化活性，进而降低反应过电势。本发明是首次采用Fe-NiOx对Si电极进行表面修饰，Fe-NiOx具有较高的电催化活性，能有效降低水氧化反应过电势，并且在碱性溶液中具有良好的稳定性，能有效保护Si不被腐蚀。
优选地，所述催化保护层中掺杂过渡金属的含量为5％～9％，优选为7.5～8.0％，例如5.2％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、7.79％、8％或8.5％等。
本发明所述催化保护层中掺杂过渡金属的含量为5％～9％，在此范围内用铁对NiOx进行掺杂，能促使在NiOx中形成高价态的Ni，这种高价态的Ni能有效的提高水氧化电催化性能，产生良好的电催化活性。本发明所述催化保护层中掺杂过渡金属的含量小于5％时，在NiOx中形成的高价态Ni较少，电催化性能相对较低；本发明所述催化保护层中掺杂过渡金属的含量大于9％时，NiOx中的Ni元素含量下降，导致电催化性能降低。
优选地，所述钝化层的厚度为0.5～3nm，优选为2～2.5nm，例如0.6nm、0.8nm、1nm、1.2nm、1.5nm、1.8nm、2nm、2.2nm、2.5nm或2.8nm等。
本发明所述钝化层的厚度为0.5～3nm，在此范围内钝化层能有效钝化Si的表面态，从而减少费米能级钉扎效应，产生大的能带弯曲，从而提高电极的光电性能。所述钝化层的厚度小于0.5nm时，钝化效果不明显，造成费米能级钉扎，界面处的能带弯曲较小，使得电极的光电性能较低；所述钝化层的厚度大于3nm时，电子和空穴无法隧穿通过钝化层，电极的导电性较差，使得电极的光电性能较低。
优选地，所述缓冲层的厚度为1～8nm，优选为1.8～2.2nm，例如1.2nm、1.5nm、1.8nm、1.9nm、2nm、2.1nm、2.2nm、2.3nm、2.4nm、2.5nm、3nm、4nm、5nm、6nm或7nm等。
本发明所述缓冲层的厚度优选为1～8nm，在此范围内缓冲层能有效防止钝化层在制备催化保护层时不被破坏，且不影响半导体的光吸收，在起到良好缓冲作用的同时，还能与基底在界面处形成金属-绝缘层-半导体结，获得较大的能带弯曲，这种大的能带弯曲一方面能使电极产生较大的光电压，为水分解提供驱动力，从热力学上促进水分解，另一方面，在界面处产生强的内建电场，促进电子空穴对的分离和转移，加速水分解动力学进程。水分解进程从热力学和动力学两方面被加速，因而获得了高的电极光电流密度和低的起始电位。所述缓冲层的厚度小于1nm时，缓冲效果不理想，钝化层在制备催化保护层时会遭到破坏，导致界面处能带弯曲较低，产生的光电压较小且电子和空穴复合严重，电极的光电性能较差；所述缓冲层的厚度大于8nm时，会对基底形成遮挡，影响Si对光的吸收，导致Si可吸收的光子数量减少，产生的光生电子空穴对的数量降低，使得电极的光电性能较差。
优选地，所述催化保护层的厚度为20～80nm，优选为55～60nm，例如25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、56nm、57nm、58nm、59nm、60nm、65nm、70nm或75nm等。
本发明所述催化保护层的厚度优选为20～80nm，在此范围内催化保护层既能起到良好的保护作用，使电极在长时间的工作条件下保持稳定，又能起到良好的电催化性能，降低反应过电势从而提高电极的性能。所述催化保护层的厚度小于20nm时，不能起到良好的保护作用，电极的稳定性较差；所述催化保护层的厚度大于80nm时，会产生较大的电阻，不利于空穴向表面转移，导致电极的光电流密度降低。
本发明的目的之二在于提供一种硅基光电极的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
在Si层表面依次生长钝化层、缓冲层和催化保护层，得到硅基光电极。
相比于其他贵金属修饰的硅光电极，本发明制备原理简单、成本相对低廉、材料生长方法可控性高、成品率高，因此在商用化方面具有较大潜力。
优选地，所述钝化层的生长方法为原子层沉积法。
所述钝化层的生长方法为原子层沉积法，原子层沉积是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。与普通的化学沉积相比，在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子，因而获得的膜层具有非常均匀的厚度以及良好的致密性。
优选地，所述钝化层的生长温度为100～250℃，优选为200℃，例如120℃、150℃、160℃、180℃、200℃、220℃或240℃等。
优选地，所述缓冲层的生长方法为热蒸镀法。
所述缓冲层的生长方法为热蒸镀法，该方法镀膜的纯度很高，易于控制膜层的厚度与成分，厚度控制精度可达分子层量级。另外，该方法操作简便，成本低廉，没有环境污染，可大范围应用。
优选地，所述缓冲层的生长速率为优选为例如 或等。
优选地，所述催化保护层的生长方法为反应磁控溅射法。
所述催化保护层的生长方法为反应磁控溅射法，调节反应磁控溅射过程中的化学工艺参数可以制备化学配比和非化学配比的化合物薄膜，可通过调节薄膜的配比来调节薄膜的特性。另外，该方法操作易控，可用于大规模生产。在镀膜过程，只要保持工作压强、电功率等溅射条件相对稳定，就能获得比较稳定的沉积速率且沉积速率高，可制备相对较厚的薄膜。此外，成膜的牢固性好，膜均匀致密。溅射薄膜与基底有着极好的附着力，机械强度也得到了改善。
优选地，所述反应磁控溅射的真空度为0.1～1Pa，优选为0.2Pa，例如0.2Pa、0.3Pa、0.4Pa、0.5Pa、0.6Pa、0.7Pa、0.8Pa或0.9Pa等。
优选地，所述反应磁控溅射的气氛为Ar和O2的混合气氛。
优选地，所述混合气氛中Ar和O2的体积比为8～30:1，优选为10:1，例如10:1、12:1、14:1、15:1、18:1、20:1、22:1、25:1、26:1或28:1等。
优选地，所述催化保护层的生长温度为100～400℃，优选为300℃，例如150℃、200℃、250℃、300℃、350℃或380℃等。
优选地，在所述Si层表面生长钝化层之前，需要进行前处理过程。
优选地，所述前处理过程包括：对Si表面进行清洗和去除氧化层。
优选地，所述清洗包括超声清洗。
优选地，所述清洗液包括丙酮、异丙醇、乙醇和水中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述去除氧化层采用的溶液包括HF溶液，优选质量分数为2％～10％的HF溶液，例如3％、4％、5％、6％、7％、8％或9％等。
作为优选技术方案，本发明所述一种硅基光电极的制备方法包括如下步骤：
(1)对Si表面进行超声清洗，然后采用质量分数为2％～10％的HF溶液去除氧化层；
(2)采用原子层沉积法在Si层表面200℃生长厚度为2.2nm的钝化层；
(3)采用热蒸镀法在步骤(2)得到的钝化层上生长厚度为2nm的缓冲层，生长速率为
(4)采用反应磁控溅射法在步骤(3)得到的缓冲层上300℃生长厚度为57nm的催化保护层，所述反应磁控溅射的真空度为0.2Pa，气氛为Ar和O2的混合气氛，所述混合气氛中Ar和O2的体积比为10:1。
本发明的目的之三在于提供一种如目的之一所述硅基光电极的用途，所述硅基光电极作为光阳极用于太阳能光电化学分解水产氧。
本发明的目的之四在于提供一种太阳能光电化学分解水产氧的方法，采用目的之一的硅基光电极作为光阳极。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明所述硅基光电极中钝化层、缓冲层和催化保护层皆为致密的薄膜材料，其中，催化保护层具有良好的电催化活性，能有效降低反应过电势的同时，在溶液中还能够保持良好的稳定性；Si层表面的钝化层可以钝化Si的表面态，抑制电荷在硅表面复合；缓冲层可以保护钝化层在制备催化保护层过程中不被破坏，并且从热力学和动力学两方面提高电极的光电性能。
(2)本发明中首次引入Ni层来进行Si与电催化剂的界面调控，Ni层一方面能够保护基底在溅射过程中不被破坏，另一方面又能从动力学和热力学两方面来提高电极的光电性能。
(3)本发明是首次采用Fe掺杂的NiOx层对Si电极进行表面修饰，Fe掺杂的NiOx层具有较高的电催化活性，能有效降低反应过电势，并且在碱性溶液中具有较高的稳定性，能有效保护Si不被腐蚀。
(4)相比于其他贵金属修饰的硅光电极，本发明制备原理简单、成本相对低廉、材料生长方法可控性高、成品率高，因此在商用化方面具有较大潜力。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的硅基光电极的结构示意图；
图2为本发明实施例1得到的钝化层的原子力显微镜图片；
图3为本发明实施例1得到的缓冲层的原子力显微镜图片；
图4为本发明实施例1得到的催化保护层的原子力显微镜图片；
图5为本发明实施例1得到的硅基光电极的截面高分辨透射电镜图片；
图6为本发明对比例1得到的硅基光电极的截面高分辨透射电镜图片；
图7为本发明实施例1得到的硅基光电极的和对比例1得到的硅基光电极的光电性能对比曲线，其中Si/Al2O3/Ni/Fe:NiOx代表实施例1得到的硅基光电极的性能，Si/Al2O3/Fe:NiOx线代表对比例1得到的硅基光电极的性能；
图8为本发明实施例1得到的硅基光电极的稳定性测试曲线；
图9为本发明对比例2得到的硅基光电极的稳定性测试曲线。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种硅基光电极的制备方法包括如下步骤：
(1)将1cm×1cm的Si片分别在丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗三次，每次5分钟，随后用氮气吹干，将吹干的硅片置于3％的HF溶液中浸泡2分钟，以除去硅片表面的自然氧化层，随后用去离子水反复冲洗，冲净表面残留的HF，并用氮气吹干；
(2)采用三甲基铝作为Al前驱体，去离子水作为氧源，N2作为载气，首先将样品抽至真空，压力约为0.2Pa，随后将HF刻蚀后的Si基底加热至200℃，ALD每一圈的循环包括15ms三甲基铝脉冲，15s的氮气吹扫，15ms去离子水脉冲和15s氮气吹扫，循环25圈得到厚度为2.2nm的钝化层，所述钝化层为Al2O3层，所述Al2O3层的原子力显微镜图片由图2所示，由图中可以看出，制备的Al2O3层的表面非常平整，其粗糙度仅为0.237nm，说明制备的Al2O3层均匀连续；
(3)将沉积完Al2O3层的样品转移到热蒸镀中，将热蒸镀真空抽至6×10-4Pa，调节蒸发电流，保持膜的生长速率在蒸镀得到厚度为2nm的缓冲层，所述缓冲层为Ni层，所述Ni层的原子力显微镜图片由图3所示，由图中可以看出，制备的Ni层的表面非常平整，没有明显的颗粒，其粗糙度仅为0.218nm，说明制备的Ni层均匀连续；
(4)将蒸镀完Ni层的样品转移至磁控溅射中并将腔体真空抽至6×10-4Pa，随后将基底加热至300℃，采用镍：铁的原子比例为4:1的镍铁合金作为靶材，在氩气和氧气的混合气体中进行反应溅射，溅射过程中，射频电源的功率为80W，氩气和氧气的比例为10:1，工作压力为0.2Pa，得到厚度为57nm的催化保护层，其中铁的含量为7.79％。所述催化保护层的原子力显微镜图片由图4所示，由图中可以看出，制备的催化缓冲层表面粗糙度较低，为0.561nm，说明该层均匀致密；图1为得到的硅基光电极的结构示意图，由图中可以看出，所述硅基光电极由Si层、Al2O3层、Ni层和Fe掺杂NiOx层组成；图5为得到的硅基光电极的截面高分辨透射电镜图片，由图中可以看出，各层之间界面清晰，表面平整度高；图7中Si/Al2O3/Ni/Fe:NiOx线为得到的硅基光电极的光电性能曲线，由图中可以看出，在1.23V时，在1mol/L的KOH溶液中，所述硅基光电极的光电流可达到28.4mA/cm2；图8为得到的硅基光电极的稳定性测试曲线，由图中可以看出，所述硅基光电极的稳定性可达到330h。
实施例2
与实施例1的区别在于，步骤(4)中采用镍：铁的原子比例为9:1的镍铁合金作为靶材，催化保护层中铁的含量为5.79％。
实施例3
与实施例1的区别在于，步骤(4)中采用镍：铁的原子比例为2:1的镍铁合金作为靶材，催化保护层中铁的含量为9.02％。
实施例4
与实施例1的区别在于，步骤(4)中采用纯度为99.99％的镍作为靶材。
实施例5
与实施例1的区别在于，步骤(2)中得到的钝化层的厚度为2nm。
实施例6
与实施例1的区别在于，步骤(2)中得到的钝化层的厚度为2.5nm。
实施例7
与实施例1的区别在于，步骤(3)中蒸镀得到厚度为1.8nm的缓冲层。
实施例8
与实施例1的区别在于，步骤(3)中蒸镀得到厚度为2.5nm的缓冲层。
实施例9
与实施例1的区别在于，步骤(4)中溅射得到厚度为20nm的催化保护层。
实施例10
与实施例1的区别在于，步骤(4)中溅射得到厚度为80nm的催化保护层。
对比例1
与实施例1的区别在于，不进行步骤(3)，得到的硅基光电极不含有Ni层。图6为得到的硅基光电极的截面高分辨透射电镜图片，由图中可以看出，各层之间界面区分不明显，钝化层的厚度很不均匀，说明在制备催化缓冲层的过程中，钝化层遭到了破坏；图7中Si/Al2O3/Fe:NiOx线为得到的硅基光电极的光电性能曲线，由图中可以看出，在1.23V时，在1mol/L的KOH溶液中，所述硅基光电极的光电流只有1.2mA/cm2。
对比例2
与实施例1的区别在于，不进行步骤(4)，得到的硅基光电极不含有催化保护层，图9为所述硅基光电极的稳定性测试曲线，由图中可以看出，电极光电流密度衰减迅速，催化性能较差。
性能测试：
将制备得到的硅基光电极进行如下性能测试：
(1)光电性能测试：测试中利用电化学工作站，在标准的三电极工作体系来测试循环伏安曲线。其中，我们制备的电极作为工作电极，Pt片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，1mol/L的KOH作为电解液。扫描速度为100mV s-1，每个样品均经过30圈活化后再记录电流密度-电压曲线，记录在1.23V电压下的电流密度和起始电位，测试光源的强度为100W cm-1氙灯(1个太阳光)。
(2)稳定性测试：测试中利用电化学工作站，在标准的三电极工作体系来进行稳定性测试。其中，我们制备的电极作为工作电极，Pt片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，1mol/L的KOH作为电解液。测试光源的强度为100W cm-1氙灯(1个太阳光)，外加偏压为1.7V(相对可逆氢电极)。
性能测试结果如表1所示：
表1
通过表1可以看出，在所有实施例中，实施例1的光电性能最优异，1.23V的光电流密度为28.4mA/cm2，起始电位为0.96V，通过图8可以看出实施例1的稳定性为330h。
实施例1-4中由于改变了催化保护层中铁元素的掺杂量，导致光电性能的差异。在实施例2中，铁的掺杂量小于优选值7.79％，导致NiOx电极中Ni的价态低于实施例1，使得其催化保护层的电催化性能低于实施例1，因此光电性能低于实施例1；实施例3中铁的掺杂量与优选值7.79％相差过大，导致NiOx电极中Ni元素的含量低于实施例1，使得其催化保护层的电催化性能低于实施例1，因此光电性能低于实施例1；而实施例4中，其得到的催化保护层中不含有铁元素，进而不能促使在NiOx中形成高价态的Ni来提高水氧化电催化性能，所以在实施例1-4中，实施例4的性能最差。
实施例5-6相对于实施例1改变了钝化层的厚度，导致光电性能产生差异。在实施例5中，其钝化层的厚度小于优选值2.2nm，进而钝化效果不理想，不能有效降低Si的表面态，使界面处存在费米能级钉扎，导致电子和空穴不能有效分离，因此光电性能低于实施例1；而实施例6中钝化层厚度大于优选值，进而空穴隧穿几率减小，电子空穴的复合几率增加，导致光电性能较差。实施例5-6与实施例1相比，其光电性能较差。
实施例7-8相对于实施例1改变了缓冲层的厚度，导致光电性能产生差异。在实施例7中，其缓冲层的厚度小于优选值2nm，进而使得缓冲效果不理想，在溅射催化保护层时仍然会对钝化层有影响，造成钝化层损伤，导致电极光电性能较差；而实施例8中厚度较大，缓冲层会对光有一定的遮蔽，使得半导体吸收的光子数量减少，因此光电性能降低。实施例5-6与实施例1相比，其光电性能较差。
实施例9-10相对于实施例1改变了催化保护层的厚度，导致光电性能产生差异。在实施例9中，其催化保护层的厚度小于优选值57nm，进而使得硅的耗尽层宽度降低，分离的电子和空穴数量少，导致电极的性较差；实施例10中厚度较大，进而会产生较大的电阻，不利于空穴向表面转移，导致电极的光电流密度降低。实施例9-10与实施例1相比，其光电性能较差。
与实施例1相比，对比例1中没有缓冲层，导致电极光电性能较差。没有缓冲层时，在溅射催化保护层时，高能量的粒子会直接轰击钝化层，导致钝化层被破坏，厚度不均匀且与催化保护层没有清晰的界限，不能有效钝化表面态，导致界面处费米能级钉扎，能带弯曲较小，从而使得光电性能较低。因此，适宜的缓冲层对于获得良好光电性能至关重要。
与实施例1相比，对比例2中没有催化保护层，导致电极光电性能非常差。没有催化保护层，缓冲层直接与溶液接触，在水分解反应过程中极易转化成疏松多孔的氢氧化物，使得电解液可以透过该层，接触到钝化层或者基底Si，造成对基底的腐蚀，导致光电性能的下降。由图9可以看出，对比例2中的电极光电流密度衰减迅速。因此，适宜的催化保护层对于获得良好光电性能至关重要。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种硅基光电极，其特征在于，所述硅基光电极包括Si层和依次设置于所述Si层表面的钝化层、缓冲层和催化保护层。
2.如权利要求1所述的硅基光电极，其特征在于，所述钝化层包括Al2O3层、TiO2层、SiOx层和ZrO层中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述缓冲层包括Ni层、Co层和NiFe合金层中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述催化保护层包括过渡金属掺杂NiOx层、CoOx层和MoOx层中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述掺杂的过渡金属包括Fe、Co、Nb、Ru和Mo中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述催化保护层中掺杂过渡金属的含量为5％～9％，优选为7.5～8.0％。
3.如权利要求1或2所述的硅基光电极，其特征在于，所述钝化层的厚度为0.5～3nm，优选为2～2.5nm；
优选地，所述缓冲层的厚度为1～8nm，优选为1.8～2.2nm；
优选地，所述催化保护层的厚度为20～80nm，优选为55～60nm。
4.一种如权利要求1～3之一所述硅基光电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
在Si层表面依次生长钝化层、缓冲层和催化保护层，得到硅基光电极。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述钝化层的生长方法为原子层沉积法；
优选地，所述钝化层的生长温度为100～250℃，优选为200℃；
优选地，所述缓冲层的生长方法为热蒸镀法；
优选地，所述缓冲层的生长速率为优选为
6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述催化保护层的生长方法为反应磁控溅射法；
优选地，所述反应磁控溅射的真空度为0.1～1Pa，优选为0.2Pa；
优选地，所述反应磁控溅射的气氛为Ar和O2的混合气氛；
优选地，所述混合气氛中Ar和O2的体积比为8～30:1，优选为10:1；
优选地，所述催化保护层的生长温度为100～400℃，优选为300℃。
7.如权利要求4～6之一所述的制备方法，其特征在于，在所述Si层表面生长钝化层之前，需要进行前处理过程；
优选地，所述前处理过程包括：对Si表面进行清洗和去除氧化层；
优选地，所述清洗包括超声清洗；
优选地，所述清洗液包括丙酮、异丙醇、乙醇和水中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述去除氧化层采用的溶液包括HF溶液，优选质量分数为2％～10％的HF溶液。
8.如权利要求4～7之一所述的制备方法，其特征在于，在所述制备方法包括如下步骤：
(1)对Si表面进行超声清洗，然后采用质量分数为2％～10％的HF溶液去除氧化层；
(2)采用原子层沉积法在Si层表面200℃生长厚度为2.2nm的钝化层；
(3)采用热蒸镀法在步骤(2)得到的钝化层上生长厚度为2nm的缓冲层，生长速率为
(4)采用反应磁控溅射法在步骤(3)得到的缓冲层上300℃生长厚度为57nm的催化保护层，所述反应磁控溅射的真空度为0.2Pa，气氛为Ar和O2的混合气氛，所述混合气氛中Ar和O2的体积比为10:1。
9.一种如权利要求1～3之一所述硅基光电极的用途，其特征在于，所述硅基光电极作为光阳极用于太阳能光电化学分解水产氧。
10.一种太阳能光电化学分解水产氧的方法，其特征在于，采用权利要求1～3之一的硅基光电极作为光阳极。
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