浅析新型氧化物半导体光电极的合成

摘 要：本文首先阐述了新型氧化物半导体光电极合成的开发背景，然后对新型氧化物半导体光电极合成中的氢气制备进行了探讨，最后展望了新型氧化物半导体光电极合成的技术前景，从这三个方面对新型氧化物半导体光电极的合成进行了浅析。

关键词：新型氧化物半导体光电极；合成；浅析

中图分类号：TM914.4

1 新型氧化物半导体光电极合成的开发背景

对二氧化碳的排出进行有效的抑制，有效运用可再生能源等在摆脱对化石资源的依赖、构建可持续发展的社会中具有重要的作用和意义。太阳能在可再生能源中具有最为庞大的潜力，但是由于技术条件的限制，太阳能还没有得到充分有效的利用。各种太阳能转换利用技术如图1所示[1]。

1 各种太阳能转换利用技术图

在各领域中，“人工光合成”的含义各不相同，依据目的，我们可以将其定义为运用太阳能使低能量的物质向高能量的物质转化，然后储存起化学能的技术，低能量物质如水、氮等，所转化成的高能量物质如氢、氨等。完成这一过程的途径是有机结合金属络合物或粉末光催化剂、传送电子的氧化还原物等，其中金属络合物和叶绿素作用相同，粉末光催化剂包括有机色素、半导体等。运用光电极或氧化物半导体的光催化剂大大减小了制造的难度。此次的半导体光电极是电极化形态，存在于板状或膜状的半导体中，连接物质为导线，其结构为用导线流动光照产生的光电流。

太阳电池可以运用半导体光电极，但是一般情况下，电流产生的途径是光能，化学能由其所发生的氧化还原反应转换而来，然后将其储存起来以备用。1972年，有关学者首次在分解反应的研究中运用了氧化钛单晶半导体，日本研究者称其为“本多效应”，意为是日本开发了在制氢的过程中运用氧化物半导体光电极对水进行分解的太阳能转换技术。同时，他们还对光电极半导体材料进行了分类，将其分为两类，即氧化物体系和非氧化物体系[2]。90年代，科学家在导电性剥离上调制出了单纯的氧化物，所使用的方法是用纳米结构的“多孔半导体薄膜”湿法[3]，此次所运用的材料就是氧化物类材料，成膜之后显著提升了其性能，对其的研究最为迅速的地方是欧洲。由于和光催化剂的分离原理相同，因此每个纳米微粒中的电荷分离原理又被成为“光催化剂电极”。“太阳光制氢技术”将氢和氧从水中直接分解出来所使用的手段是光催化剂和光电极，具有较低的成本，因此在未来氢能社会的构建过程中，可以将其作为基础技术[4]。目前，各地正在对其进行不懈的深入研究。

2 新型氧化物半导体光电极合成中的氢气制备

在制氢的过程中对水进行分解时运用氧化物半导体光电极时，从理论上来说，水的分解反应中电解电压为1.23V，但是实际情况是，在过电压的影响下，要想使分解反应正常进行，电解电压必须大于1.6V。但是，在辅助电源电压较低且运用光电极的情况下，低成本制氢是具有极大的发展前景的。此次光电极辅助电压只需要0.7V，随着科技的不断进步，光电极辅助电压可能达到0V。

氧化钛的单晶体或高温烧结体是研究的初级阶段所使用的材料，但是其无法对紫外线进行充分的应用。随后，以欧洲为中心，世界范围内逐渐盛行起杂导电性基板上运用湿法成薄膜将多孔质电极制作出来的研究，在这一过程中对可见光的氧化物半导体材料进行了充分的应用，所使用的材料为氧化物或三氧化二铁。n型是多数氧化物半导体的类型，最适于生成氧的那一侧电极，涂覆后在空气中烧制成膜，有利于大面积制作。但是，太阳能制氢具有较低的转换效率，只有促进单层转换效率的显著提升，才能使其实用化。此次研究的出发点为对电荷进行有效的抑制，然后和增大光吸收有机结合起来，在大幅度提升转换效率的过程中运用三种氧化物半导体薄膜多重叠层等方法。半导体光电极分解水制氢体系如图2所示[5]。

2 半导体光电极分解水制氢体系

半导体光电对光进行吸收之后，激发价带电子到导带。这导带的电子送入电极的途径是通过辅助电源的作用，对水进行有效的还原从而将氢制作出来这一全过程在电极上进行。由于导带的电子具有较高的能量，因此即使水的分解电压高于辅助电源太阳电池的电压，电子也能被送入电极。此外，空穴在价带电子被激发走后形成，“正孔”是其中一部分，形成的原因是正电荷带电。由于“正孔”极易氧化，将电子从其他物质中夺取过来，因此在光电极侧氧化水促使氧产生。在这种情况下，和只用点样电池水分解制氢相比，光电极在分解水时位于低电位，性能一旦被提升，将极易实现整个体系的成本化。

3 新型氧化物半导体光电极合成的技术前景

光电极制作运用三种半导体层叠的方法，并使水解反应发生在浓度较高的碳酸盐电解液中，能够达到0.85%的太阳能转换效率。进一步层叠这样的二块光电极，将光封闭其中的结构制作出来，同时使水解反应发生在浓度较高的碳酸盐电解液中，能够达到1.35%的太阳能转换效率[6]。氧化物光电极没有添加贵重金属，已经使光电极的最高值翻了一倍。

在对水的分解过程中运用这种层叠氧化物光电极的系统，从电极中产生氢的气泡，从光电极中产生氧的气泡。对现阶段的材料进行有效的利用能够将水分解的电解电压降低至少40%，有利于实现水分解制氢的低成本化。该技术显著提升了光电极的太阳能转换效率，辅助电源电压需要随着光电流的增大而降低。半导体能够对长波长的可见光进行充分的利用，具有更大的导带准位负值和较高的电荷分离效率，这三个特征是其开发变得更有意义。

目前，有关学者正在进行高速筛选试验，试图在较短的时间内，在无数复合材料及各种组合中，对机器人系统进行自动的探寻并将其开发出来，该机器人系统运用最理想的半导体材料，具有最适合的多层组合膜结构。同时，在对材料进行探索的基础上，对光电极的调制方法进行有效的改良，从而促进太阳能转换效率的显著提升。未来在浓度较高的碳酸盐中氧化还原碳酸离子，从而解明水分解的详细机理，最终促进水分解系统效率的显著提升。

参考文献：

[1]吴伟才，周印华，温善鹏.溶剂效应对聚苯撑乙烯掺杂二酰亚胺太阳电池性能的影响[J].物理学报，2007，8.

[2]戴松元，史成武，翁坚.染料敏化纳米薄膜太阳电池最新研究和产业化前景[J].太阳能学报，2005，1.

[3]马廷丽.新型有机太阳电池塑料薄膜化的研究进展[J].化学进展，2006，Z1.

[4]李书平，李成，陈松岩.半导体光电结构材料及其应用[J].厦门大学学报（自然科学版），2011，2.

[5]日本开发出新技术使太阳能组件成本减半[J].中国电业（技术版），2012，6.

[6]罗文俊，于涛，邹志刚.光电化学电极的研究及其在太阳能转化方面的应用[J].物理，2006，6.

作者简介：贺少敏，男，佛山市南海天映办公设备厂创始人，总经理，高级工程师，全国复印机械标准化委员会委员，中国计算机行业协会耗材专委会理事，广东省打印耗材行业协会会员。

作者单位：佛山市南海天映办公设备厂，广东佛山 528241