無機太陽能光電轉(zhuǎn)換的材料

用于光電化學太陽電池中半導體電極研究的材料包括有：Si、Ⅱ-Ⅵ族化合物CdX （X=S、Se、Te）、Ⅲ-Ⅴ族化合物（GaAs、InP）、二硫族層狀化合物（MoS2、FeS2）、三元化合物（CuInSe2、CuInS2、AgInSe2）及氧化物半導體（TiO2、ZnO、Fe2O3）等，其中窄禁帶半導體（Eg≤2.0eV）可獲得較高的光電轉(zhuǎn)換效率，但存在光腐蝕現(xiàn)象，寬禁帶半導體（Eg≥3.0eV）有良好的穩(wěn)定性，但對太陽能的吸收率低。因此大量的研究工作都是圍繞提高光電效率和穩(wěn)定性進行的。

Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體CdX（X=S、Se、Te）是光電化學研究較為普遍的光電極材料， 其主要優(yōu)點是可用多種方法如粉末壓片法、涂敷法、真空沉積、化學氣相沉積、電沉積、化學溶液沉積以及噴涂熱解法等制備，得到轉(zhuǎn)換效率較高的多晶或薄膜光電極，這些方法價格低廉、簡單易行，多數(shù)還可適用于大面積制備。在CdX（X=S、Se、Te）化合物中CdS的能隙較大（Eg=2.4eV），只能吸收小于517nm波長的太陽光，曾用壓片燒結(jié)、涂敷、噴涂熱分解制備各種CdS電極并用RuS2進行光譜敏化，將吸收截止波長由517nm延長至890nm，但轉(zhuǎn)換效率都很低，因此研究的重點是CdSe和CdTe電極。用涂敷法在各種金屬基底（鈦、鉻、鉬、鉑）、非金屬基底（二氧化錫、石墨、破碳）上都可成功制備性能穩(wěn)定、重現(xiàn)性好的CdSe薄膜電極。

在金屬基底CdSe薄膜結(jié)合力強，界面電阻小，經(jīng)過電極表面的化學刻蝕和光化學刻蝕獲得了7％的能量轉(zhuǎn)換效率。進一步控制熱處理氣氛中的含氧量使轉(zhuǎn)換效率提高至8.3％。制備中用Te替代部份Se形成CdSe和CdSexTe1-x薄膜電極，其光譜響應范圍與X值大小有關(guān)，當調(diào)X=0.63時能量轉(zhuǎn)換效率達到12.3％。CdTe具有吸收太陽光能的最佳能隙（Eg=1.4eV），其單晶電極在多硫溶液中達到15.6％的光電轉(zhuǎn)換效率，但用電沉積法制備多晶薄膜電極卻只獲得3.6％的轉(zhuǎn)換效率。比較CdX（X=S、Se、Te）光電極性能不難看出，CdSe和CdSexTe1-x薄膜的光電性能和穩(wěn)定性能優(yōu)于CdS和CdTe電極，是光電化學研究中有發(fā)展前途的光電極材料。

在CdS和CdTe薄膜的研究中證明了表面修飾也是改善光電性能的有效措施，研究Au、Pt、Ru和Pd等貴金屬修飾CdS和CdTe電極，發(fā)現(xiàn)貴金屬在電極表面的構(gòu)型不同會產(chǎn)生不同效果，大量的Pt島覆蓋電極表面降低了電極界面光電化學反應的極化，增大了反應的交換電流，是電極界面光電催化的最佳構(gòu)型。Pd的修飾形成了金屬致密層，結(jié)果使光電性能下降，產(chǎn)生與Pt修飾相反的效果。用LB膜技術(shù)實現(xiàn)分子取向、排列結(jié)構(gòu)和濃度可控的條件下研究具有不同氧化還原電位和傳遞電荷性質(zhì)的二茂鐵衍生物修飾CdSe，薄膜電極，將電極表面的微觀分子設(shè)計與宏觀電極過程聯(lián)系起來，為修飾分子的優(yōu)化提供大量信息，使半導體電極表面修飾技術(shù)有很大的提高和發(fā)展。

對Ⅲ~Ⅴ族化合物半導體主要研究GaAs和InP單晶電極，它們具有吸收太陽光能的最 佳帶隙，可以構(gòu)成高效的光電化學電池。n-GaAs電極在多硒溶液中有較好的穩(wěn)定性，經(jīng)H2SO4-H2O2混合溶液的反復刻蝕，再吸附Ru3+離子后有效降低表面復合，使光電轉(zhuǎn)換效率大大提高，接近于20％。n-InP電極的晶面取向和摻雜濃度對光電性能有很大影響，摻雜濃度低（1016cm-3）的光電流、光電壓優(yōu)于摻雜濃度高（1018cm-3)的電極；在Fe2+/Fe3+酸性溶液中，性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率達到18％，p-InP電極在V2＋／V3＋溶液中表面經(jīng)Ag修飾和電鍍Cu改善背面接觸后效率達到18.8％。