利用极化电场的光电化学电池及其光电阳极

本发明涉及一种利用极化电场的光电化学电池及其光电阳极的结构，属于宽禁带半导体材料与太阳能器件。

背景技术：

1、随着传统化石燃料日益枯竭，以及伴随而至的环境问题日益严峻，开发绿色清洁的新能源刻不容缓。氢能由于其燃烧性能好、热值高、能耗低等优点，是未来清洁能源的首选。常见的制氢手段包括化石燃料制氢、生物质制氢、电催化分解水、光电催化分解水以及光催化分解水等。其中，利用太阳能光催化分解水制氢可在无需外加偏置的条件下将太阳能转化为化学能，而受到了广泛的关注。

2、其中，gan由于其大禁带宽度、高击穿电场、小介电常数、大饱和电子速度和强抗辐射性能等特性，在光电子、电力电子和射频器件方面具有先天优势。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种利用极化电场的光电化学电池。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种利用极化电场的光电化学电池的光电阳极，其结构包括：

4、一衬底；

5、一设置在衬底上的gan缓冲层；

6、一设置在gan缓冲层上的n型gan层；

7、一设置在n型gan层上的aln层；

8、一设置在aln层上的algan层；

9、所述algan层上设有周期排列的微孔，所述微孔的深度小于algan层的厚度，微孔内设置有圆柱金属电极，所述圆柱金属电极的一端伸出微孔，微孔内的圆柱金属电极用于收集光生空穴；

10、一金属电极，设置在n型gan层上，金属电极需贯穿到gan层，以引导出二维电子气通过外电路与铂对电极参与析氢反应；

11、金属电极的形状没有特定要求，为制备方便，通常可以为方形或圆形；

12、在n型gan层表层内部靠近异质结的一个薄层区域会产生电子聚集，从而形成二维电子气，所述微孔algan层内有填充周期排列圆柱金属电极，与gan层不相连，工作时与电解液接触，用于收集algan层产生的光生空穴，所述金属电极在微孔algan层末端与gan层相连，工作时不与电解液接触，用于传导algan/gan异质结内的二维电子气。

13、优选的，所述的衬底为硅衬底或蓝宝石衬底，厚度300～1000微米。

14、优选的，所述gan缓冲层为非参杂gan，厚度为1～5微米。

15、优选的，所属aln层厚度为1～2nm。

16、优选的，所述n型gan层的参杂浓度1～500×1017cm-2，厚度为0.2～3微米。

17、优选的，所述“微孔”algan层中的al组分含量为0.02～0.25，厚度为5～23nm，微孔直径：10微米。

18、优选的，所述圆柱金属电极为ti/au双层结构，ti厚度为2～40nm，au厚度为10～1000nm，直径为10微米。

19、优选的，所述方形金属电极为ti/au双层结构，ti厚度为2～40nm，au厚度为10～1000nm。

20、本发明还提供一种光电化学电池，包括上述的光电化学电池光电阳极，光电化学电池还包括溶液池、铂片电极夹、铂对电极、ag/agcl参比电极，所述溶液池内容纳有磷酸盐缓冲溶液，所述铂片电极夹与光电阳极的金属电极相连组成工作电极，工作电极与铂对电极以及ag/agcl参比电极通过外电路相连接，所述光电阳极的圆柱金属电极直接接触磷酸盐缓冲溶液，铂对电极以及ag/agcl参比电极也设置于磷酸盐缓冲溶液内。。

21、本发明提供的光电阳极结构，在algan/gan异质结内有高浓度的二维电子气，受极化效应影响，a1gan/gan异质结由于导带不连续性在aigan/gan界面处形成比较深的三角势阱，界面处的二维电子气被束缚在三角势阱中。在太阳光照射下产生光生电子空穴对，光生电子空穴对受极化电场作用分离，光生空穴向上移动，由周期排列的圆柱金属电极收集，加速光生空穴与电解液发生析氧反应；光生电子向下移动，汇入二维电子气，二维电子气通过金属电极通过外电路传导到铂对电极，与溶液发生析氢反应，因此，在制氢过程中，二维电子气可以提供大量的电子，从而提高制氢效率。

22、本发明利用极化电场和algan/gan异质结内的二维电子气参与到光电化学电池工作过程，为高效太阳能光电化学电池提供创新思路和技术途径。

技术特征：

1.一种利用极化电场的光电化学电池的光电阳极，其结构包括：

2.根据权利要求1所述的利用极化电场的光电化学电池的光电阳极，其特征在于：所述的衬底(1)为硅衬底或蓝宝石衬底，厚度300～1000微米。

3.根据权利要求1所述的利用极化电场的光电化学电池的光电阳极，其特征在于：所述gan缓冲层(2)为非参杂gan，厚度为1～5微米。

4.根据权利要求1所述的利用极化电场的光电化学电池的光电阳极，其特征在于：所述n型gan层(3)的参杂浓度1～500×1017cm-2，厚度为0.2～3微米。

5.根据权利要求1所述的利用极化电场的光电化学电池的光电阳极，其特征在于：所述algan层(5)中的al组分含量为0.02～0.25，厚度为5～23nm，微孔直径：10微米。

6.根据权利要求1所述的利用极化电场的光电化学电池的光电阳极，其特征在于：所述圆柱金属电极(6)为ti/au双层结构，ti厚度为2～40nm，au厚度为10～1000nm，直径与微孔匹配。

7.根据权利要求1所述的利用极化电场的光电化学电池的光电阳极，其特征在于：所述方形金属电极(7)为ti/au双层结构，ti厚度为2～40nm，au厚度为10～1000nm。

8.一种利用极化电场的光电化学电池，其特征在于：包含权利要求1-7中任一项所述的光电阳极。

9.根据权利要求8所述的光电化学电池，其特征在于光电化学电池还包括溶液池、铂片电极夹、铂对电极、ag/agcl参比电极，所述溶液池内容纳有磷酸盐缓冲溶液，所述铂片电极夹与光电阳极的金属电极(7)相连组成工作电极，工作电极与铂对电极以及ag/agcl参比电极通过外电路相连接，，所述光电阳极的圆柱金属电极(6)直接接触磷酸盐缓冲溶液，铂对电极以及ag/agcl参比电极也设置于磷酸盐缓冲溶液内。

技术总结
本发明公开了一种利用极化电场的光电化学电池的光电阳极，在AlGaN/GaN异质结外延片上设置周期排列的圆柱金属电极。本发明提供的光电阳极结构，在AlGaN层与GaN层间有高浓度的二维电子气，受极化效应影响，A1GaN/GaN异质结由于导带不连续性在AIGaN/GaN界面处形成比较深的三角势阱，界面处的二维电子气被束缚在三角势阱中。在太阳光照射下产生光生电子空穴对，光生电子空穴对受极化电场作用分离，光生空穴向上移动，由周期排列的圆柱金属电极收集，加速光生空穴与电解液发生析氧反应；光生电子向下移动，汇入二维电子气，二维电子气通过金属电极通过外电路传导到铂对电极，与溶液发生析氢反应。

技术研发人员：陶涛,叶光恒,何宏晖,庄喆,智婷,刘斌
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16