Nanostructured GaAs- and CdSe-electrodes for photoelectrodes for photoelectrochemical converters
Photoelectrochemical processes on GaAs-electrodes and electrodes on a basis nanodimensional particles CdSe after them nanostructuring in the solutions containing ions Zn2+ and S2- are studied. It is shown, that nanostructuring electrodes result leads to increase in their photosensitivity that is rel...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2007
|
| Online Zugang: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/245 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Surface |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291348038778880 |
|---|---|
| author | Slobodyanyuk, I. A. Rusetskiy, I. A. Kolbasov, G. Ya. |
| author_facet | Slobodyanyuk, I. A. Rusetskiy, I. A. Kolbasov, G. Ya. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "I. A. Slobodyanyuk",
"institution": "Институт общей и неорганической химии им. В.И. Вернадского Национальной академии наук Украины"
},
{
"author": "I. A. Rusetskiy",
"institution": "Институт общей и неорганической химии им. В.И. Вернадского Национальной академии наук Украины"
},
{
"author": "G. Ya. Kolbasov",
"institution": "Институт общей и неорганической химии им. В.И. Вернадского Национальной академии наук Украины"
}
] |
| author_sort | Slobodyanyuk, I. A. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:40:57Z |
| description | Photoelectrochemical processes on GaAs-electrodes and electrodes on a basis nanodimensional particles CdSe after them nanostructuring in the solutions containing ions Zn2+ and S2- are studied. It is shown, that nanostructuring electrodes result leads to increase in their photosensitivity that is related to reduction of velocity of the surface recombination and the photocathode reaction with participation of the surface electronic states. The explored materials are perspective for application as photoanodes of photoelectrochemical system with hydrogen accumulation. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:31:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2007. Вып 13. С.364-369
364
УДК: 544.52 : 541.138 : 621.352
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ GaAs- И CdSe-ЭЛЕКТРОДЫ
ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
И.А. Слободянюк, И.А. Русецкий, Г.Я. Колбасов
Институт общей и неорганической химии им. В.И. Вернадского
Национальной академии наук Украины,
пр. Палладина 32/34, 03680 Киев-142, e-mail: kolbasov@ionc.kiev.ua
Изучены фотоэлектрохимические процессы на GaAs–электродах и электродах
на основе наноразмерных частиц CdSe после их наноструктурирования в растворах,
содержащих ионы Zn2+и S2-. Показано, что наноструктурирование электродов при-
водит к увеличению их фоточувствительности, что связано с уменьшением скорости
поверхностной рекомбинации и фотокатодной реакции с участием поверхностных
электронных состояний. Исследованные материалы перспективны для применения в
качестве фотоанодов фотоэлектрохимической системы с накоплением водорода.
Photoelectrochemical processes on GaAs-electrodes and electrodes on a basis
nanodimensional particles CdSe after them nanostructuring in the solutions containing ions
Zn2+ and S2- are studied. It is shown, that nanostructuring electrodes result leads to increase in
their photosensitivity that is related to reduction of velocity of the surface recombination and
the photocathode reaction with participation of the surface electronic states. The explored
materials are perspective for application as photoanodes of photoelectrochemical system with
hydrogen accumulation.
Введение
Для применения в качестве фотоэлектродов электрохимических преобразовате-
лей солнечной энергии в настоящее время изучаются различные полупроводниковые
соединения, среди которых можно выделить соединения типа AIIIBV и AIIBVI, TiО2 и
оксиды различных металлов, сульфиды и селениды тугоплавких металлов, высокоста-
бильные тройные соединения SrTiO3, CuInSe2 и некоторые другие. Для повышения
эффективности фотопреобразования на полупроводниковых электродах используются
разные методы влияния на их поверхность: обработка поверхности растворами солей
металлов, адсорбция которых снижает скорость рекомбинации на межфазной границе;
сенсибилизация электродов органическими соединениями (хлорофиллом, красителями);
применение электродов на основе полупроводниковых наногетероструктур; осаждение
на поверхность слоев, островковых пленок или наноразмерных частиц металлов или
проводящих полимеров. В работе изучены фотоэлектрохимические свойства нанострук-
турированных GaAs-электродов и электродов на основе наноразмерных частиц CdSe,
перспективных для использования в фотоэлектрохимической системе с накоплением
водорода [1, 2].
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Исследовались эпитаксиальные пленки n-GaAs толщиной ~1 мкм, химически
осажденные на монокристаллическую GaAs-подложку, а также электроды на основе
365
наночастиц CdSe. Пленки CdSe получали химическим осаждением на Ti-подложку из
водных растворов, содержащих селеномочевину и ионы Cd2+ [3]; средний размер частиц
CdSe на поверхности электрода после отжига при 743 К составлял 4 – 10 нм, толщина
пленок 1 – 2 мкм. Электроды модифицировали путем их последовательной обработки в
растворах, содержащих ионы Zn2+ и S2-. Наличие Zn на поверхности было определено
методом масс-спектрометрии и с помощью Оже-спектроскопии; концентрация Zn на
поверхности составляла ~1013 атомов/см2. Указанная обработка приводит к формирова-
нию на поверхности электродов наногетероструктуры на основе ZnS [4]. Фоточувстви-
тельность электродов определялась в полисульфидном растворе, в котором изучаемые
электроды относительно стабильны [5, 6]. На рис.1 показаны вольтамперные характерис-
тики электродов при освещении. Видно, что модифицирование поверхности (рис. 1,
кривые 2, 4) приводит к увеличению фоточувствительности электродов, при этом фото-
чувствительность пленки на основе наночастиц CdSe близка к фоточувствительности
наноструктурированного монокристаллического CdSe-электрода (рис. 1, кривые 4, 5).
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
0
4
8
12
16
j,
мА
/с
м2
-E, В
1
2
3
4
5
Рис. 1. Зависимость фототока ј от
потенциала Е для GaAs (1, 2)
и CdSe (3 – 5) в растворе
1 моль/л Na2S + 1 моль/л
NaOH + 1 моль/л S. 1, 3 – ис-
ходные GaAs- и CdSe-
электроды, 2 – нанострукту-
рированный GaAs-электрод;
4, 5 –наноструктурированные
электроды на основе наночас-
тиц CdSe и монокристалли-
ческого CdSe. Мощность ос-
вещения 44,12 мВт/см2. По-
тенциал Е измерен относи-
тельно хлорсеребряного элек-
трода сравнения.
Для использования полупроводниковых фотоанодов в фотоэлектрохимической
ячейке с накоплением водорода, в которой в качестве катода используются водород-
аккумулирующие сплавы LaNi5-xCox, где 0 ≤ x ≤ 2,5 [1, 2], необходимо, чтобы фото-
потенциал полупроводниковго электрода при максимальной отдаче мощности Ер сос-
тавлял -1,05…-1,10 В (относительно хлорсеребряного электрода сравнения), в то же вре-
мя для изучаемых GaAs- и CdSe- электродов величина Ер имела значение -0,8…-0,9 В,
что оказалось недостаточно для эффективного заряда катода. После модифицирования
электродов величина фотопотенциала Ер увеличивалась на -0,25…-0,30 В, в результате
чего возникающие катодные токи позволяли производить заряд катода более
эффективно.
Влияние модифицирования поверхности полупроводника на его поверхностный
заряд определялось из значений фотопотенциала при освещении [6] и измерений вольт-
емкостных характеристик слоя Шоттки [7]. Установлено, что после наноструктуриро-
вания поверхность электродов приобретала отрицательный заряд (потенциал плоских
зон смещался в катодную область на 70 – 150 мВ).
Для установления причин увеличения фотопотенциала после модифицирования
поверхности полупроводников изучены спектральные характеристики квантового выхо-
да фотоэлектрохимического тока hi. В результате установлено, что модифицирование
366
поверхности приводило к существенному увеличению hi в широкой спектральной облас-
ти, причем максимальный рост hi наблюдался для GaAs-электрода в ультрафиолетовой
части спектра (рис. 2).
1 2 3 4 5
0,0
0,2
0,4
0,6
hi
hn, эВ
1
2
Рис. 2. Спектральная зависимость квантового выхода фототока hi при потенциале
Е = 0 В в растворе 1н KCl для исходного (1) и наноструктурированного (2) GaAs-
электрода.
Для объяснения полученных результатов можно воспользоваться теорией
переноса фотогенерированных носителей заряда через межфазную границу раздела
полупроводник - электролит [6, 8] с учетом того фактора, что суммарный фототок через
межфазную границу раздела состоит из тока неосновных носителей заряда (дырочного
фототока ip(l)) и тока основных носителей (электронного фототока ie(l)):
i(l) = ip(l) – ie(l), (1)
где дырочный фототок описывается выражением:
ip=eФ
ï
ï
þ
ï
ï
ý
ü
ï
ï
î
ï
ï
í
ì
+
++
-++- --
)(
1
)1()1/(1
a
spp
Ys
p
ps
Kl
ps
p
Kl
kSL
eD
LeF
kT
e
LeF
kTKLe
, (2)
а электронный фототок:
ie =
1
)(
1
/
-
ú
û
ù
ê
ë
é
+
+
+ c
sn
ns
s kSkT
DeF
kTeFK
еФK , (3)
здесь Ф – интенсивность света; Fs – электрическое поле на поверхности полупроводни-
ка; Dp и Lp – соответственно коэффициент диффузии и диффузионная длина неосновных
носителей заряда (дырок); Dn – диффузионная длина электронов; l – ширина области
пространственного заряда (ОПЗ) у поверхности полупроводника; К – коэффициент пог-
лощения света полупроводником, зависящий от длины волны света λ (значения коэффи-
циента поглощения света К(λ) были взяты из [9]); Ys – падение потенциала в ОПЗ
367
полупроводника (в единицах kТ/е); ks
a и ks
с – скорости анодной и катодной реакций; Sp и
Sn – скорости поверхностной рекомбинации дырок и электронов. Для типичных парамет-
ров GaAs-электродов Lp = 0,5 мкм, Dp = 5 см2/с, Dn = 25 см2/с, Fs = 4·104 В/см получено,
что для достижения высокого квантового выхода фототока скорость анодной реакции
должна быть достаточно большой (ks
a>2·103 см/с), чтобы уменьшить влияние поверхнос-
тной рекомбинации; при этом в ультрафиолетовой области, где величина К может дости-
гать значений К~106 см-1, уменьшение катодного фототока связано с уменьшением вкла-
да как скорости катодной реакции ks
с, так и скорости поверхностной рекомбинации Sn.
Об уменьшении скорости поверхностной рекомбинации после модифицирования
GaAs-электрода свидетельствовало также уменьшение частотной зависимости диффе-
ренциальной емкости С, измеренной по параллельной схеме замещения (рис. 3).
1 0 2 1 0 3 1 0 42
4
6
8
С
. 10
8 , Ф
/с
м2
f , Г ц
1
2
3
4
Рис. 3. Частотная зависимость
емкости С для сходного
(1, 3) и наноструктури-
рованного (2, 4) GaAs-
электрода в растворе
1 моль/л Na2S+1 моль/л
NaOH +1 моль/л S при
потенциалах Е = 0 В (1,
2) и Е = -0,4 В (3, 4).
Из емкостных измерений можно определить концентрацию поверхностных электронных
состояний (ПЭС) Nt на GaAs:
Nt =
)1(2 qq -
D
e
CkT , (4)
где θ – степень заполнения электронами ПЭС (θ = 0,5 для случая, когда ПЭС не участ-
вуют в электрохимической реакции), DС = Сн – Сопз разница между емкостью на низкой
частоте Сн (расчеты выполнены для f = 200 Гц) и емкостью области пространственного
заряда у поверхности полупроводника Сопз, определенной на высокой частоте. Найдено,
что концентрация электронных состояний после модифицирования поверхности соста-
вила Nt = 9,97·109 см-2, в то время как концентрация ПЭС на исходном образце была
выше. Такое влияние модифицирования на концентрацию ПЭС можно объяснить тем,
что ионы Zn2+ на первой стадии модифицирования поверхности могут взаимодейство-
вать преимущественно с активными центрами на поверхности, являющимися центрами
рекомбинации или захвата носителей заряда и нейтрализуют действие этих центров,
уменьшая их концентрацию, изменяя их энергетику и коэффициенты захвата электронов
и дырок.
Для изучения рекомбинационных процессов исследовалась кинетика релаксации
фото-э.д.с. Еф после освещения полупроводников импульсным азотным лазером ЛГИ-21
(λ = 0,337 мкм, Ри = 1300 Вт/см2, τи = 15 нс) (рис. 4).
368
0 10 20 30
120
140
160
180
200
-
Еф, мВ
t, мкс
2
1
а
0 5 10 15 20
40
80
120
160
-
Еф, мВ
t, мс
1
2
б
Рис. 4. Релаксация фото-э.д.с. на GaAs-электроде (а – быстрая, б – медленная) в
растворе 1н KCl (1) и после наноструктурирования поверхности (2).
Наблюдались 2 участка релаксации на (Еф – t) – зависимости (τ1/2 ≤ 4 мкс и
τ1/2 ≥ 5 мс), характеризующие «быстрые» и «медленные» центры рекомбинации. Нано-
структурирование поверхности приводило к уменьшению потерь фотогенерированных
носителей заряда на рекомбинацию, что проявлялось в увеличении характеристического
времени «быстрой» и «медленной» релаксации и возрастании амплитуды фото-э.д.с.
Выводы
Установлено, что увеличение величины фотопотенциала и эффективности фото-
преобразования после наноструктурирования поверхности GaAs- и CdSe- электродов
связано с увеличением отрицательного поверхностного заряда и уменьшением поверх-
ностной рекомбинации и катодного фототока. Полученные значения фотопотенциала
показывают, что эти электроды перспективны для использования в электрохимических
системах для преобразования солнечной энергии.
Литература
1. Metal hydride use for solar energy accumulation / L.G. Shcherbakova, D.B. Dan`ko,
V.B. Muratov, I.A. Kossko, Yu.M. Solonin, G.Ya. Kolbasov, I.A. Rusetskii // NATO
Security through Science Series – A: Chemistry and Biology. Hydrogen Materials Science
and Chemistry of Carbon Nanomaterials. Edited by T.N. Veziroglu, S.Yu. Zaginaichenko,
D.V. Schur, B. Baranowski, A.V. Shpak, V.V. Skorokhod, A. Kale. 2007 Springer,
P. 699 – 706.
2. Фотоэлектрохимическая система для накопления водорода на основе модифициро-
ванного платиной GaAs-электрода / И.А. Русецкий, Г.Я. Колбасов, Д.Б. Данько,
О.З. Галий, Ю.М. Солонин // Укр. хим. журн. – 2004. – Т. 70, № 9. – С. 44 – 46.
3. Химическое осаждение пленок селенида кадмия / Г.Я. Колбасов, Н.И. Тараненко,
И.К. Островская // Химия, физика и техническое применение халькогенидов. Тез.
докл. 7 Всесоюзн. конф. – Ужгород, 1988. – Ч. 3. – С. 327.
4. Фотоэлектрохимические процессы при высокой интенсивности освещения на элект-
родах CdSe-ZnSe(ZnS) / Г.Я. Колбасов, Т.С. Чернокожа, С.К. Ковач, Н.И. Тараненко,
А.Т. Васько, И.К. Островская // Электрохимия. – 1989. – Т. 25, № 1. – С. 124 – 126.
5. Кузьмінський Є.В., Колбасов Г.Я., Тевтуль Я.Ю., Голуб Н.Б. Нетрадиційні електро-
хімічні системи перетворення енергії // Київ: Академперіодика, 2002. – 182 с.
6. Колбасов Г.Я., Городыский А.В. Процессы фотостимулированного переноса заряда
в системе полупроводник – электролит // Киев: Наук. думка, 1993. – 192 с.
369
7. Гуревич Ю.Я., Плесков Ю.В. Фотоэлектрохимия полупроводников // М.: Наука,
1983. – 312 с.
8. Влияние поверхности арсенида галлия на его фоточувствительность в контакте с
электролитом / Н.Л. Дмитрук, Г.Я. Колбасов, Н.И. Тараненко, И.И. Карпов //
Поверхность. Физика, химия, механика. –1985. – № 11. – C.34 – 38.
9. Оптические свойства полупроводников (полупроводниковые соединения типа А3В5)
/ Под ред. Р. Уиллардсон, А. Бир. – М: Мир, 1970. – 370 с.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-245 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:06:53Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/89/cf33f6899ec69bdc31db690993ca4889.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-2452018-11-27T09:40:57Z Nanostructured GaAs- and CdSe-electrodes for photoelectrodes for photoelectrochemical converters Наноструктурированные GaAs- и CdSe-электроды для фотоэлектрохимических преобразователей Nanostructured GaAs- and CdSe-electrodes for photoelectrodes for photoelectrochemical converters Slobodyanyuk, I. A. Rusetskiy, I. A. Kolbasov, G. Ya. Photoelectrochemical processes on GaAs-electrodes and electrodes on a basis nanodimensional particles CdSe after them nanostructuring in the solutions containing ions Zn2+ and S2- are studied. It is shown, that nanostructuring electrodes result leads to increase in their photosensitivity that is related to reduction of velocity of the surface recombination and the photocathode reaction with participation of the surface electronic states. The explored materials are perspective for application as photoanodes of photoelectrochemical system with hydrogen accumulation. Изучены фотоэлектрохимические процессы на GaAs–электродах и электродах на основе наноразмерных частиц CdSe после их наноструктурирования в растворах, содержащих ионы Zn2+и S2-. Показано, что наноструктурирование электродов приводит к увеличению их фоточувствительности, что связано с уменьшением скорости поверхностной рекомбинации и фотокатодной реакции с участием поверхностных электронных состояний. Исследованные материалы перспективны для применения в качестве фотоанодов фотоэлектрохимической системы с накоплением водорода. Photoelectrochemical processes on GaAs-electrodes and electrodes on a basis nanodimensional particles CdSe after them nanostructuring in the solutions containing ions Zn2+ and S2- are studied. It is shown, that nanostructuring electrodes result leads to increase in their photosensitivity that is related to reduction of velocity of the surface recombination and the photocathode reaction with participation of the surface electronic states. The explored materials are perspective for application as photoanodes of photoelectrochemical system with hydrogen accumulation. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2007-06-21 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/245 Surface; No. 13 (2007): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 364-369 Поверхность; № 13 (2007): Химия, физика и технология поверхности; 364-369 Поверхня; № 13 (2007): Хімія, фізика та технологія поверхні; 364-369 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/245/243 Авторське право (c) 2007 I.А. Slobodyanyuk, I.А. Rusetskiy, G.Ya. Kolbasov |
| spellingShingle | Slobodyanyuk, I. A. Rusetskiy, I. A. Kolbasov, G. Ya. Nanostructured GaAs- and CdSe-electrodes for photoelectrodes for photoelectrochemical converters |
| title | Nanostructured GaAs- and CdSe-electrodes for photoelectrodes for photoelectrochemical converters |
| title_alt | Nanostructured GaAs- and CdSe-electrodes for photoelectrodes for photoelectrochemical converters Наноструктурированные GaAs- и CdSe-электроды для фотоэлектрохимических преобразователей |
| title_full | Nanostructured GaAs- and CdSe-electrodes for photoelectrodes for photoelectrochemical converters |
| title_fullStr | Nanostructured GaAs- and CdSe-electrodes for photoelectrodes for photoelectrochemical converters |
| title_full_unstemmed | Nanostructured GaAs- and CdSe-electrodes for photoelectrodes for photoelectrochemical converters |
| title_short | Nanostructured GaAs- and CdSe-electrodes for photoelectrodes for photoelectrochemical converters |
| title_sort | nanostructured gaas- and cdse-electrodes for photoelectrodes for photoelectrochemical converters |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/245 |
| work_keys_str_mv | AT slobodyanyukia nanostructuredgaasandcdseelectrodesforphotoelectrodesforphotoelectrochemicalconverters AT rusetskiyia nanostructuredgaasandcdseelectrodesforphotoelectrodesforphotoelectrochemicalconverters AT kolbasovgya nanostructuredgaasandcdseelectrodesforphotoelectrodesforphotoelectrochemicalconverters AT slobodyanyukia nanostrukturirovannyegaasicdseélektrodydlâfotoélektrohimičeskihpreobrazovatelej AT rusetskiyia nanostrukturirovannyegaasicdseélektrodydlâfotoélektrohimičeskihpreobrazovatelej AT kolbasovgya nanostrukturirovannyegaasicdseélektrodydlâfotoélektrohimičeskihpreobrazovatelej |