基本信息
- 项目名称：
- 石墨烯/硅复合材料光电极的制备、表征及光电转化性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目制备出石墨烯/硅异质结光电极，并通过SEM，TEM，Raman等手段对光电极进行了表征，通过XPS分析了光电极的表面成分，通过SPV，IV测试研究了光电极的光电化学性质。研究结果表面：制备的石墨烯/硅光电极能够在水溶液中使用，光电流显著高于硅片，而且非常稳定。 项目成果以研究型论文的形式，于2011年在期刊Applied Surface Science上发表。
- 详细介绍：
- 石墨烯是一种零禁带半导体材料，具有比表面积大，电子迁移率高，透明性好等特点，可作为透明电极使用。当石墨烯与光响应材料结合成异质结后，入射光可以透过石墨烯薄膜激发底层光响应材料产生光致空穴-电子对，电子和空穴在异质结内建电场的作用下反向移动。由于石墨烯电子迁移率高，被内建电场分离的电子到达石墨烯后迅速迁移，实现提高光响应材料的光电转化效率。 目前报道的石墨烯/硅复合材料的制备方法的缺点石墨烯与基底的结合不牢固。在溶液环境中，由于水的冲击作用，石墨烯薄膜很容易脱落，复合材料的光电转化能力经常会被破坏，很难在水溶液中使用 项目通过电泳沉积法制备了石墨烯/硅光电极。通过煅烧过程光电极，石墨烯薄膜与硅基底之间形成Si-C化学键，提高了光电极在水溶液中的稳定性及光电转化能力。因此，制备的光电极在光催化降解污染物及太阳能制氢领域有潜在的应用价值。 实验中，我们对石墨烯及光电极的制备条件进行了探索。最终，我们通过高温裂解石墨氧化物的方法制备了石墨烯，通过电泳沉积法制备了光电极，最后光电极在400℃下被煅烧即得到成品。 我们通过透射电子显微镜(TEM)，扫面电子显微镜(SEM)观察了石墨烯的形貌：TEM表明，制备的石墨烯呈薄片状，边缘有很多褶皱，有明显的石墨烯特征；SEM表明，石墨烯完全覆盖在硅基底表面。我们通过拉曼光谱(Raman)对光电极进行了表征，谱图上清晰地呈现了硅基底的特征峰以及石墨烯的G峰，D峰2D峰等特征峰。 上层半导体厚度对异质结光转换性能影响较大。我们通过改变电泳时间调控石墨烯层厚度，通过表面光电压谱(SPV)测试了样品的表面光相应。测试结果表明：当电泳时间为10s时，光电极的光相应能力最好。 煅烧过程是提高光电极机械及化学稳定性的关键步骤，我们对煅烧温度进行了探索，分别测试了不煅烧及煅烧250℃，300℃，350℃，400℃，450℃条件下，光电极在稀硫酸溶液中循环伏安曲线。测试结果表明：随着煅烧温度的升高至400℃，光电极的光电流强度及电流稳定性均有所提高；但在煅烧温度为450℃条件下，电极的光相应能力被破坏。 X射线光电子能谱分析(XPS)解释了上述现象的原因，光电极经过400℃煅烧后，石墨烯与硅基底行程Si-C化学键，增强了二者的结合牢度；但光电极经过450℃煅烧后，硅基底表面形成了一层SiO2，阻断了石墨烯与基底间的电子转移，因此电极的光相应能力被破坏。 最后我们通过线性伏安法研究了光电极的光相应能力：与硅基底相比，光电极在暗态和光照态下均有更强的电流响应。这种增强可以归因于石墨烯的高电子迁移率及硅/石墨烯异质结结构有效的光致电荷分离。 这一成果利用石墨烯作为保护层，实现了硅作为光转换材料在水溶液中的使用，使在太阳能光伏领域得到广泛应用的硅材料有望应用于光解水产氢和光催化降解污染物等领域。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 硅是一种良好的半导体材料，目前广泛地应用于太阳能光伏领域。然而由于硅比较活泼，很难在含水溶液中使用，因此它的使用范围受到限制，可能的解决办法就是利用透明电极材料做保护。石墨烯是一种零禁带半导体材料，具有比表面积大，电子迁移率高，透明性好等特点，可作为电极的上层材料使用。本项目基于这点考虑，设计制作了在水溶液中稳定高效的石墨烯/硅复合材料光电极。
科学性、先进性及独特之处
- 首次制备出石墨烯与硅的异质结结构光电极，显著提高了硅的光响应。石墨烯最为保护层，实现了硅在水溶液中高效稳定的光电流输出。
应用价值和现实意义
- 作品成果利用石墨烯作为保护层，实现了硅作为光转换材料在水溶液中的高效稳定的光电流输出，使在太阳能光伏领域得到广泛应用的硅材料有望应用于光解水产氢和光催化降解污染物等领域。
学术论文摘要
- The graphene(Gr)/Si electrodes were fabricated by electrophoresis method and then following an annealing process.After annealing at 400 ◦C, the Gr/Si electrodes displayed high photoresponse ability and high stability in aqueous solution. The carriers transfer between Gr and Si is discussed on the basis of the semiconductor energy band theory. The results demonstrated that the Gr/Si electrodes would be a promising candidate as solar energy materials using in aqueous solution.
获奖情况
- 1.作品获第十届“挑战杯”辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛“特等奖”。 2.文章于2011年在Applied Surface Science（SCI，IF=1.616）上发表。 检索：Applied Surface Science 257 (2011) 7714–7718（项目负责人为第一作者）
鉴定结果
- Applied Surface Science 257 (2011) 7714–7718 DOI：10.1016/j.apsusc.2011.04.015
参考文献
- 【1】K.S.Kim.etal Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes, Nature 457(2009)706-710. 【2】Z.S.Wu, S. Pei,W. Ren, D. Tang, L. Gao, B. Liu, F. Li, C. Liu, H.M. Cheng, Field emision of single-layer graphene films prepared by electrophoretic deposition, Adv. Mater. 21 (2009) 1–5. 【3】 Z. Zong, C.L. Chen, M.R. Dokmeci, K. Wan., Direct measurement of graphene adhesion on silicon surface by intercalation of nanoparticles, J. Appl. Phys. 107 (2010) 026104.
同类课题研究水平概述
- 1972年，Fujishima和Honda发现TiO2电极能够光催化分解水，4年以后，Cary 等人于报道了难以生化降解的有机污染物多氯联苯能够被紫外光照射下的TiO2快速分解。此后的近40年，光催化技术在环境污染物控制领域得到了广泛的研究，已发现有3000多种难降解有机污染物可以被光催化降解。此后的近40年，光催化技术在环境污染物控制领域得到了广泛的研究，已发现有3000多种难降解有机污染物可以被光催化降解，重金属、有毒气体、细菌等都能被光催化技术有效处理。 光催化降解污染物包括三个连续的过程：光源发射出的光子被半导体吸收，吸收光子激发半导体产生的光致电荷向表面迁移，迁移到表面的光致电荷通过直接或间接反应降解污染物。光催化技术的一个重要优点是有望利用太阳能。Si的带隙只有1.12eV，其吸收光谱范围与太阳光谱匹配的很好，因此Si材料在光电转化领域有着广泛的应用。但是Si材料的表面非常容易被氧化成二氧化硅而完全阻断光致电荷的迁移，尤其是在含水溶液中钝化得非常快。由于存在这两个不利因素，Si作为光催化材料在污染控制领域的研究非常少。 石墨烯于2004年被K.S.Novoselov等人发现的新型二维纳米碳材料，它是由碳原子构成的六角形平面蜂窝结构，可以看作是石墨单层。它具有透明性好、比表面积大、电子迁移率高等特点，同时具有很高的热力学及机械稳定性，是极有潜力的电极材料。对石墨烯可能的应用研究最多的领域是电子器件领域，对其电化学应用的研究刚刚开始。 本研究利用石墨烯作为Si的保护层，不但使硅材料能够在含水溶液中稳定使用，而且由于石墨烯与Si形成异质结，还能大幅提高Si的光电流，为实现Si材料在光催化污染控制中的应用奠定了基础。
