CN113279008B - 一种用于人工光合作用氮化镓串联cigs的器件及其制备方法 - Google Patents

一种用于人工光合作用氮化镓串联cigs的器件及其制备方法 Download PDF

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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串联CIGS的器件及其制备方法。所述器件自下而上依次有TCO层、ZnO层、CdS层、CIGS层、Mo层、In层、GaN层，n+‑GaN层、蓝宝石层。其制备步骤如下：在洁净的玻璃片上放置GaN薄膜，在GaN薄膜表层均匀放置In颗粒，放置完成之后，在In颗粒表面放置CIGS太阳能电池，按压平整，在表面放上清洗干净的玻璃皿，将其放入真空干燥箱中，抽真空，加热一段时间，冷却到室温，得到氮化镓串联CIGS的器件。本发明的器件相对于Si基GaN器件，节能环保,且工艺简单。使用本发明作为阳极进行光合作用，具有光电流密度大，阴极电势高的优点，并且具有较强的光吸收系数，有利于解决新能源的开发利用以及对CO2带来环境问题的治理。

Description

一种用于人工光合作用氮化镓串联CIGS的器件及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种用于人工光合作用的半导体器件，具体涉及一种用于人工光合作用氮化镓串联CIGS的器件及其制备方法。
背景技术
随着时代的发展，能源危机与环境污染已经越来越成为制约经济发展的重要因素，CO2的大量排放会造成温室效应，气候反常，物种多样性减少，影响人类的健康，并且引发环境问题和能源问题。因此，解决CO2排放等相关问题，已经到了刻不容缓的地步。
光合作用是将光能转变成化学能并储存在有机物中的一种能量转化的过程，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳-氧平衡的重要媒介。在最初的阶段，“人工光合作用”可以被认为是通过模拟自然界的植物的光合作用。可见光的照射下，利用无机半导体代替植物，将水裂解，并释放出氧气(或氢气)。随着科技的进步和发展，人工光合作用也从简单到复杂，科研工作者认识到人工光合作用技术用途的广泛性，它不仅能分解水，还可以将CO2还原为CO和其他烃类衍生物等物质。早在1972年，人们就开始对人工光合作用的相关研究，日本学者藤岛昭和他的导师在《Nature》期刊上发表了一篇关于人工光和作用的文章，他们使用特殊处理过的二氧化钛，在太阳光的照射下，完成了水的分解。
第三代半导体材料GaN由于其优异的电学与光学性能，已经被广泛地应用。GaN是宽禁带半导体，带隙3.4eV，功函数低，价带和导带上的空穴电子可以同时满足水的氧化和CO2的还原，在CO2减排方面有着广泛的应用前景。在人工光合作用领域，GaN材料作为阳极，In电极作为阴极，在整个系统中实现CO2的还原。2015年，日本的松下公司制备了InGaN/Si串联结构的光伏化学电池，但该光伏化学电池依然存在着各种问题，比如系统光电流较低，光吸收较弱，并且GaN/Si之间存在较大的界面反射，会导致器件性能有所降低。因此，研发出一款光电流密度更高，阴极电势更强的电池结构成为了当前研究的重点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于人工光合作用氮化镓串联CIGS的器件及其制备方法。所述的氮化镓串联CIGS的器件，其主要作用是作为光阳极材料，可以在现有技术的基础上提高光电流密度，增强阴极电势，并实现高效的人工光合作用。
本发明采用的技术方案是：
一种用于人工光合作用氮化镓串联CIGS的器件，上述器件包括依次叠罗的TCO层、ZnO层、CdS层、CIGS层、Mo层、In层、GaN单元；所述的GaN单元包括依次设置的GaN层、n+-GaN层、蓝宝石层；其中GaN层被部分刻蚀从而露出部分n+-GaN层，露出的n+-GaN层与In层直接接触，In层与所述的GaN层不接触，即In层作为连接层将起到电子收集作用的n型重掺GaN层与Mo层进行串联，从而实现氮化镓串联CIGS的器件。
本发明还公开一种用于人工光合作用氮化镓串联CIGS的器件的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
第一步，使用乙醇清洗玻璃片表面，在洗净的玻璃片上放置氮化镓单元；所述的GaN单元包括自下而上的GaN层、n+-GaN层、蓝宝石层，刻蚀部分GaN层使其下方n+-GaN层部分露出；
第二步，在氮化镓单元中露出的n+-GaN层上均匀放置In颗粒；
第三步，在In颗粒表面放置CIGS太阳能电池，使In颗粒与Mo层接触，按压平整之后，在表面放上清洗干净的玻璃皿，得到待加热的氮化镓串联CIGS的器件；
第四步，将待加热的氮化镓串联CIGS的器件放入真空干燥箱中，抽真空，进行加热，加热温度在165℃～185℃，加热时间为1～2小时；
第五步，冷却到室温，最后获得氮化镓串联CIGS的器件，即GaN/CIGS串联器件。
进一步地，所述第二步中，选用的In颗粒纯度不低于99.999％。
本发明的有益效果在于：
本发明采用物理熔融的办法，制备出GaN/CIGS串联器件。GaN基半导体与CIGS薄膜太阳电池间通过物理熔融串联，提高电子传输效率，减小界面反射的光，提高光电转换效率。在光照环境下，H2O在光电极表面发生氧化反应；而以In棒作为光阴极，在激发电子的作用下将CO2还原为CO和碳氢化合物。能够有效的提高人工光合作用的能力，能实现绿色能源利用，降低温室气体的堆积，具有非常重要的意义。
与Si基太阳能电池串联GaN的器件相比较，本发明采用的这种方法简单快捷，不需要特别复杂的工艺和机器设备，器件结构简单。CIGS太阳能电池相比Si基太阳能电池，串联氮化物半导体器件，能够在增强光电极正负电荷分离效率的同时提高光阴极的电势，CIGS薄膜太阳能电池光电转换效率已经达到了22.3％，且有高达105cm-1的光吸收系数，高于硅基太阳能电池100cm-1光吸收系数，而且能够吸收几乎全部的入射光能量。CIGS薄膜太阳电池带隙范围(1.0-1.7ev)，通过改变Ga元素的量实现CIGS薄膜太阳电池带隙调节，可以最大化的提高光吸收范围，增强光吸收强度，在人工光合作用中，当能量等于或大于半导体带隙的光源照射到半导体光催化剂表面时，表面产生电子空穴对。之后会有少部分的电子空穴对分离，大多数电子-空穴对会复合，能量以热或光子的形式释放。最后具有强还原性的电子参与CO2的还原，生成CO和碳氢化合物。当光吸收强度越高，越能够有效的激发电子-空穴的分离，会使光生电子由半导体表面向体相的转移，进而转移到外电路形成光电流。当光子电子数量增多时，能够提高转移效率，从而在人工光合作用中，提高光电流强度，同时会进一步增强阴极电势。
附图说明
图1为本发明中器件的结构示意图；
图2为本发明中氮化镓串联CIGS的器件的一种制备过程示意图；
图3为GaN/CIGS串联器件和GaN光阳极还原CO2生成的产物及浓度的对比图(其中小图为局部放大图)；
图4为人工光合作用简易装置图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明方案做进一步的详细说明。
如图1所示，为本发明中氮化镓串联CIGS器件的结构示意图；器件包括依次叠罗的TCO层、ZnO层、CdS层、CIGS层、Mo层、In层、GaN单元；所述的GaN单元包括依次设置的GaN层、n+-GaN层、蓝宝石层；其中GaN层被部分刻蚀从而露出部分n+-GaN层，与In层直接接触，即In层作为连接层将起到电子收集作用的n型重掺GaN层与Mo层进行串联，从而实现氮化镓串联CIGS的器件。在人工光合作用中，光从TCO侧及GaN侧入射，通过氮化镓单元与CIGS单元的串联，可以极大的提升收集的电子，从而极大提升光电流密度，增强阴极电势。
其制备方法实例如图2所示，包括以下步骤：
第一步，使用乙醇清洗玻璃片表面，在洗净的玻璃片上放置氮化镓单元；所述的GaN单元中刻蚀部分GaN层使其下方n+-GaN层部分露出；
第二步，在氮化镓单元中露出的n+-GaN层上均匀放置In颗粒；
第三步，在In颗粒表面放置CIGS太阳能电池，使In颗粒与Mo层接触，按压平整之后，在表面放上清洗干净的玻璃皿，得到待加热的氮化镓串联CIGS的器件；
第四步，将待加热的氮化镓串联CIGS的器件放入真空干燥箱DZ-1BCⅡ中，抽真空，进行加热，加热温度在165℃～185℃，加热时间为1～2小时；
第五步，冷却到室温，最后获得氮化镓串联CIGS的器件，即GaN/CIGS串联器件。
实施例1
1)在人工光合作用中使用H型电解池，两个腔室被阳离子交换膜隔开；
2)用1mol·L-1NaOH溶液作为阳极电解液，0.5mol·L-1KCl作为系统中的阴极电解液；
3)以本发明的GaN/CIGS串联器件作为阳极，In电极作为阴极；如图4所示；
4)400W紫外线灯用作照明源，进行人工光合作用。
5)通过气相色谱仪分析通过CO2还原的产物；其结果如图3所示，可以看出GaN半导体串联CIGS太阳能电池薄膜比单一的GaN半导体在人工光合作用中CO2还原产物CO和碳氢化合物的浓度明显增加。我们实验测得本发明器件的还原产物CO法拉第效率是10％,而文献报道的GaN/Si器件(Satoshi,Yotsuhashi,Masahiro,et al.Effect of inserted Si p-n junction on GaN-based photo-electrochemical CO2 conversion system[J].AIPAdvances,2014.)的还原产物CO法拉第效率是4％，可以看出GaN半导体串联CIGS太阳能电池薄膜比GaN/Si器件人工光合作用的效率得到了提升。

Claims (2)

1.一种用于人工光合作用的氮化镓串联CIGS的器件，其特征在于，所述器件包括依次设置的TCO层、ZnO层、CdS层、CIGS层、Mo层、In层、GaN单元；其中所述的GaN单元包括依次设置的GaN层、n+-GaN层、蓝宝石层，且所述的GaN层经部分刻蚀后露出n+-GaN层，所述的In层与n+-GaN层直接接触，In层与所述的GaN层不接触。
2.制备如权利要求1所述的一种用于人工光合作用的氮化镓串联CIGS的器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：在洁净的玻璃片上放置GaN单元，所述的GaN单元包括自下而上的GaN层、n+-GaN层、蓝宝石层，刻蚀部分GaN层使其下方n+-GaN层部分露出、在其上均匀放置In颗粒，在In颗粒表面放置CIGS太阳能电池，使CIGS太阳能电池的Mo层与In颗粒接触，按压平整之后，在表面放置清洗干净的玻璃皿，将其放入真空干燥箱中，抽真空，进行加热，加热温度为165℃～185℃，加热时间为1～2小时，然后冷却到室温，得到氮化镓串联CIGS的器件。
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