论文总字数：18661字

摘 要

21世纪存在着许多环境与能源问题，我们想要解决这些能源为题，一种手段便是利用光电催化分解水的反应，然后制造氢气，将太阳能转化为可以被储存的化学能。以N型半导体电池来说，我们对其半导体电极的光阳极材料进行研究与开发，目的是为了让太阳能直接转化为氢能，并且能够大规模的投入使用。在我们理想状况下的光阳极材料，需要同时具有合适的导带、价带能级以及电子带隙，并且还需要具备有效的载流子运输、成本低、稳定度高等特点。但是，目前还没有非常完美的半导体光阳极材料能够满足上述的所有需求，所以对现在已经拥有的光阳极半导体材料进行研究，并且创新与开发新型半导体光阳极材料已经成为趋势。

许多原因都会对太阳能的转换效率造成影响，其中载流子的复合、光电极吸收光的效率以及表面发生反应速率对太阳能转换效能的影响是较为显著的。能够提升光电极性能的方法有电极材料的形貌调节与控制、掺杂改性、表面改性等。其中形貌调控主要影响的是材料对光的吸收能力以及载流子的迁移速率；掺杂改性方法的目的是使得半导体材料的电子排列与分布发生变化，从而改变其光吸收性能，提高电子的传输特性。通常情况下，采用少许的杂质离子的掺杂手段，材料的性能变化会极大，载流子的浓度提高可以通过合适的掺杂实现，通过利用掺杂手段，能够使材料的电传导机能得到很大的改善。

以SrTaO₂N材料作为本论文研究对象，该材料的能带结构适合，主要研究SrTaO₂N材料晶格中N离子的占位通过晶格对称性对其光催化性能的影响，通过添加NaCl方式对SrTaO₂N材料的影响进行研究，目的对半导体电极的性能加以改善。

关键词：光电催化分解水 半导体电极 光阳极材料 SrTaO₂N

ABSTRACT

In the 21st century, there are many environmental and energy problems. We want to solve these energy problems. One way is to use photoelectric catalysis to decompose water, and then produce hydrogen to convert solar energy into chemical energy that can be stored. In the case of N-type semiconductor cells, we conduct research and development on the photoanode materials of their semiconductor electrodes, the purpose is to directly convert solar energy into hydrogen energy, and can be put into use on a large scale. In our ideal situation, the photoanode material needs to have the appropriate conduction band, valence band energy level and electronic band gap, and also need to have the characteristics of effective carrier transportation, low cost and high stability. However, there is currently no perfect semiconductor photoanode material that can meet all the above requirements, so research on the existing photoanode semiconductor materials, and innovation and development of new semiconductor photoanode materials have become a trend.

There are many factors that affect the solar energy conversion efficiency, among which the recombination of carriers, the efficiency of light absorption by the photoelectrode, and the reaction rate of the surface reaction have a significant effect on the solar energy conversion efficiency. The methods that can improve the performance of the photoelectrode include electrode material morphology adjustment and control, doping modification, surface modification, etc. Among them, the shape control mainly affects the material's ability to absorb light and the rate of carrier migration; the purpose of the doping modification method is to change the electronic arrangement and distribution of the semiconductor material, thereby changing its light absorption performance and improving electrons. Transmission characteristics. Under normal circumstances, the use of a small amount of impurity ion doping means, the performance of the material will change greatly, the carrier concentration can be increased by suitable doping, by using doping means, can make the material's electrical conduction function Great improvement.

This thesis takes SrTaO₂N material as the research object, and the energy band structure of this material is suitable. The main research is the occupation of N ions in the lattice of SrTaO₂N material. The effect of the lattice symmetry on its photocatalytic performance is studied. To conduct research to improve the performance of semiconductor electrodes.

Keywords: Photocatalytic water splitting;Semiconductor electrode;Photo anode material; SrTaO₂N

目 录

摘 要 II

ABSTRACT III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 半导体光电池的基本结构与工作原理 1

1.2.1 太阳能光解水的发展 1

1.2.2 半导体光电池的工作原理 2

1.2.3 半导体光电池的基本类型 3

1.3 半导体光电化学池的性能部分参数 4

1.3.1 量子转换效率（IPCE） 4

1.3.2 太阳能转换效率 4

1.3.3 法拉第效率 4

1.3.4 光电流 4

1.4 关于半导体光阳极性能的提升 5

1.4.1 改善半导体电极光电化学性能的困难 5

1.4.2 半导体电极的光电化学性能 5

1.4.3 改进半导体光电池性能 5

1.5 关于半导体光阳极材料的研究 6

1.5.1 BiVO4光电极材料的研究 6

1.5.2 Ta3N5光电极材料的研究 7

1.5.3 半导体材料SrTaO2N的优点 7

1.6 本文内容安排 7

第二章 NaTaO3的制备以及表征 9

2.1 NaTaO3材料的制备方法 9

2.1.1 高温固相法 9

2.1.2 溶胶-凝胶法 9

2.1.3 水热法 9

2.2 NaTaO3的实验制备 10

2.2.1 NaTaO3的实验制备过程 10

2.3 表征分析仪器 10

2.3.1 X-ray衍射分析（XRD） 10

2.3.2扫描电子显微镜（SEM） 11

2.3.3透射电子显微镜（TEM） 11

2.3.4紫外-可见分光光度法（UV-Vis ） 12

第三章 SrTaO2N的制备与光催化性能探究 13

3.1 SrTaO2N粉末材料的制备 13

3.2 SrTaO2N中N离子占位对晶体结构的影响 13

3.2.1 SrTaO2N材料的晶体结构 13

3.2.2 晶格结构对载流子的影响 15

3.2 NaTaO3氨气氮化过程中添加NaCl后对其物化特性的影响 16

3.4 小结 18

第四章 结果与展望 20

4.1 主要结论 20

4.2 后续展望 20

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1 引言

有研究人员发现，在准备配置好的浓度较稀的酸溶液后，放入两个金属电极，并且这两个相同的金属电极使都用卤化银粒子进行涂抹，在其中的一个电极上，用光照射电极，产生电流，至此光电之间相互转换的思想产生。50年代中期，Brattain等利用光照辐射手段对电解质沉淀的Ge电极的光电化学特性进行了研究，1966年Gerisher切实研究了半导体材料以及电解质接触表面的光电化学特征[1]，上述两个研究是现代光电子化学的基石。如同砷化镓和硅材料所制成的高效电池一样，70年代开发的高效率光电池具有25%以上的光电转换效率，但这些禁带比较窄半导体通常来说都有着较为严重的光腐蚀情况，又由于这些具有高纯度的晶体材料在制造这些高效率光电池时需要，所以导致价格高昂，只能在航空航天等很狭窄的领域内使用，而很难成为解决能源危机问题的手段和实现大规模使用的替代产品。我们知道，禁带较宽的半导体材料，具有着较高的光和热，同时有着较高的稳定性，一直以来在半导体材料的研究领域中作为一种具有发展前景的半导体材料，但由于材料本身捕捉阳光的能力较差，所以要想将材料的光谱响应延展到可见的区域，就一定要使用染料敏化技术。在70年代初到90年代这20年间，宽禁带半导体的研究活跃，并且使用有机染料敏化技术的研究较多，但是由于使用的电极是较为平滑的电极，表面积比较小，而光催化反应大部分都是在材料表面发生的，所以导致光与电之间的转化效率比较低，没有办法投入实际使用[2]。本章将对半导体电池的基本组成结构和一般情况下的工作原理进行阐述，对在工作工程中发生的物化反应进行研究，从而对影响半导体光电池效率的因素进行探究，阐述提升其光阳极性能的方法。

1.2 半导体光电池的基本结构与工作原理

1.2.1 太阳能光解水的发展

50年代中期，在进行半导体电解质的表面研究时，发现了同时发光的半导体电极的量子能源大于半导体的带隙时，产生了较大的光电流，这些光电流比光电子发出金属时所能利用的电流要大得多。1972年，日本科学家Tengyu和Bendo发现了一种现象，使用水分解反应并通过照射TiO₂电极产生氢气[3]，使用紫外线刺激了TiO₂电极，成功地将水分解成氢和氧。这项研究是光电子化学领域的里程碑，研究热点成为了使用光电化学分解水电池生产氢气。应用太阳能分解水技术，通过反应，可以生成水和氢气，这样就能实现将太阳能转化为可以被保存的化学能，所以光电解水制氢的第一个重要成果是通过照射TiO₂阳极（以铂为阴极的光化学电池）实现的。上世纪70年代后期，形成了太阳能利用的光电化学方向，解决了水产生氢气的光催化剂分解问题和太阳能作为化学能源使用和储存的能源及环境问题。氢能作为清洁能源有着许多优点，氢气燃烧的数量是唯一的，并且氢气无味且无毒性，便于保管、运输和安全使用。

1.2.2 半导体光电池的工作原理

当光阳极被太阳光照射时，它会吸收能量，然后将其转化为电能。光阳极在材料的选择方面比较单一，通常选择半导体材料作为光阳极，在其受到阳光照射时，会产生载流子，比较重要的是电子和空穴。我们所研究的半导体化学电池，组成部分主要有光阳极和光阴极，以及电解质。光阳极在被光照射之后，就会吸收光能，在半导体上会出现电子，这些电子由外电路向光阴极移动，使得在水中的质子与光阴极上的电子相结合，产生氢气。半导体光电化学池基本原理，我们可以使用N型半导体为例，如图1.1所示：

图 11.1 N 型半导体光电化学水分解电池的工作原理示意图 Potential，电势；semiconductor，半导体；electrolyte，电解液； Pt，铂金；L_SC，空间电荷层。

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