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1、銅鋅錫硫基光電陰極的制備及其光電化學(xué)性能的研究PreparationandPhotoelectrochemicalPerformanceofCu2ZnSnS4-basedPhotocathodes領(lǐng)域：材料工程研究生：張遠(yuǎn)方指導(dǎo)教師：葉金花教授歐陽(yáng)述昕副教授企業(yè)導(dǎo)師：張衛(wèi)衛(wèi)高工天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二零一五年十二月摘要光電化學(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，C
2、ZTS）是一種典型的p45-1型半導(dǎo)體，帶隙為1.5eV，吸光系數(shù)為10-10cm，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。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
3、電陰極的制備及其光電化學(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-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2化學(xué)性能，在-0.50VvsAg/AgCl條件下，光電流密度可達(dá)1.8mA/cm，并且具有良好的穩(wěn)定性，IPCE在可見光區(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
4、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：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-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CZ
5、TS的粒徑減小，但對(duì)薄膜厚度沒有影響；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，在-0.50VvsAg/AgCl條2件下，光電流密度可達(dá)3.6mA/cm，是CZTS-WS1的2倍，IPCE在紫外-可見光區(qū)可穩(wěn)定在8%–15%；通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)CZTS-SnS的尼奎斯特半徑明顯小于CZTS-WS1，證明CZTS-SnS異質(zhì)結(jié)的形成加速了光生電子和空穴的分離，這也是CZTS-SnS光電化學(xué)性能明顯提高的原因。關(guān)鍵詞：光電極材料，光電化學(xué)催化，CZTS光電陰極，硫分壓，CZTS-SnS異質(zhì)結(jié)，成分偏析AbstractPhotoelectroch
6、emicalcatalysisisakindofefficientandpotentialcatalytictechnique,whichcanbeusedinthefieldsofH2evolutionfromwatersplitting,reductionofCO2andsolarcell.Itpossessesenvironmentally-friendlyfeature.Photoelectrodeisthemaincomponentofreactionsystemforphotoelectrochemicalcatalysis,andthus,searchingsuitabl
7、eelectrodematerialsandfabricatinghigh-performanceelectrodesareprerequisitestoachievepracticalapplicationofthistechnique.Cu2ZnSnS4(CZTS)isatypicalp-typesemiconductorandanidealphotocathodematerialbecauseofitsproperbandgapof1.5
