銅鋅錫硫基光電陰極的制備及其光電化學(xué)性能的研究.pdf

1、光電化學(xué)催化是一種高效的、有潛力的催化技術(shù)，可以應(yīng)用于水分解產(chǎn)氫、CO2還原以及太陽(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域，具有綠色、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。光電極是光電化學(xué)催化的重要組成部分，因此尋找合適的電極材料以及制備高性能的光電極是實(shí)現(xiàn)光電化學(xué)催化應(yīng)用的基礎(chǔ)。銅鋅錫硫(Cu2ZnSnS4，CZTS)是一種典型的p型半導(dǎo)體，帶隙為1.5eV，吸光系數(shù)為104-105cm-1，且合成CZTS所需的各種元素在地球中含量豐富、低毒無(wú)污染，因此是一種理想的光電陰極材料。

2、然而，CZTS在合成過(guò)程中自身的分解、元素?fù)]發(fā)以及光生載流子復(fù)合率高等問(wèn)題抑制了CZTS光電陰極的光電化學(xué)性能的提高。本文基于上述兩種問(wèn)題，分別設(shè)計(jì)了不同的解決方案:(1)在一種半封閉的合成體系中，通過(guò)適當(dāng)提高S分壓來(lái)抑制CZTS的分解和元素?fù)]發(fā);(2)采用成分偏析原位合成法制備了p-p型CZTS-SnS異質(zhì)結(jié)，通過(guò)控制光生載流子的定向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)電子-空穴對(duì)的高效分離。主要結(jié)果如下:
　　1、基于硫分壓調(diào)控的高性能CZTS光電陰極的

3、制備及其光電化學(xué)性能的研究:
　　采用簡(jiǎn)單的電化學(xué)沉積金屬前驅(qū)體后硫化的方法成功在FTO導(dǎo)電玻璃上制備了CZTS光電陰極，通過(guò)調(diào)控硫化過(guò)程中反應(yīng)體系窗口的大小控制反應(yīng)S分壓大小，并在三種不同的S分壓條件下分別合成樣品。XRD、Raman、紫外-可見(jiàn)-近紅外光譜、SEM測(cè)試結(jié)果顯示，在不同窗口大小條件下合成的CZTS光電陰極沒(méi)有明顯差異;光電化學(xué)性能測(cè)試表明，樣品CZTS-WS1表現(xiàn)出最好的光電化學(xué)性能，在-0.50V vs Ag/

4、AgCl條件下，光電流密度可達(dá)1.8mA/cm2，并且具有良好的穩(wěn)定性，IPCE在可見(jiàn)光區(qū)可穩(wěn)定在4％-7％;通過(guò)對(duì)樣品元素含量的分析，我們將CZTS-WS1光電化學(xué)性能提升的原因歸結(jié)為:①硫分壓的增大可以抑制CZTS分解反應(yīng)的發(fā)生，從而抑制Sn元素的揮發(fā)，并增加S元素的滲入，保證CZTS元素化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確;②CZTS-WS1為富鋅貧銅的狀態(tài)。
　　2、成分偏析原位合成法制備p-p型CZTS-SnS異質(zhì)結(jié)及其光電化學(xué)性能的研究:<

5、br>　　采用成分偏析原位合成法在FTO導(dǎo)電玻璃上成功制備出CZTS-SnS，即通過(guò)電沉積稍過(guò)量的Sn元素而在硫化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)SnS相對(duì)CZTS的偏析原位合成CZTS-SnS異質(zhì)結(jié)。XRD、紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜測(cè)試結(jié)果顯示，樣品中確實(shí)含有少量的SnS，表明形成了CZTS-SnS異質(zhì)結(jié);SEM測(cè)試結(jié)果顯示，少量SnS的加入會(huì)使得CZTS的粒徑減小，但對(duì)薄膜厚度沒(méi)有影響;光電化學(xué)性能測(cè)試表明，樣品CZTS-SnS表現(xiàn)出良好的光電化學(xué)性能