1.一种基于消除反射和双层P/N异质结的三维仿生复合材料,其特征在于:以单晶硅(Si)、二氧化钛(TiO2)和聚苯胺(PANI)有序层级组成(Si/TiO2/PANI),Si是表面具有锥形微结构的100型单晶硅,为N型半导体,硅锥结构形状为四方锥,高度为4~10μm,紧密排列;
TiO2是金红石相的TiO2纳米棒,为N型半导体,四棱柱形状,高度为500~4000nm,直径为40~
250nm,有序垂直生长在硅锥的侧壁上;PANI是聚苯胺纳米粒子,为P型半导体,粒径为10~
60nm,均匀生长在TiO2纳米棒表面;Si/TiO2/PANI三维仿生复合材料中的Si与TiO2界面、TiO2与PANI界面形成双P/N异质结,可以高效分离光生电荷,同时具有三维的仿生复合结构,可以有效降低入射光在表面的反射率。
2.一种制备如权利要求1所述基于消除反射和双层P/N异质结的三维仿生复合材料的方法,其特征是,包括以下步骤:(1)首先用一定浓度的碱液,在搅拌的条件下,对硅片进行各向异性刻蚀,在硅片表面形成紧密排列的四方锥形貌;
(2)然后将步骤(1)刻蚀后的硅片进行亲水处理,在其表面生长TiO2晶种,并置于马弗炉内煅烧一段时间后自然冷却;
(3)再将步骤(2)中所得到的表面具有TiO2晶种的硅片置于反应釜中,采用水热合成的方法在硅锥的侧壁上生长TiO2纳米棒;
(4)最后在步骤(3)中得到的TiO2纳米棒上沉积PANI纳米粒子,得到Si/TiO2/PANI三维仿生复合材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的碱液为氢氧化钾、四甲基氢氧化铵、氢氧化钠、氨水、EDP(乙二胺、邻苯二酚和水的混合溶液),碱液的pH=12~14,刻蚀温度50~90℃,刻蚀时间5~60min,搅拌的方式为机械搅拌或磁力搅拌。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述的亲水处理操作为将步骤(1)得到的硅片置于NH3H2O、H2O2和H2O的混合溶液中,体积比为1:1:5,温度为90℃,加热时间30min。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述的生长TiO2晶种条件为将亲水处理后的硅片浸于浓度为0.05~1mol/L的钛酸四丁酯的异丙醇溶液中进行提拉或旋涂,提拉的速度是1~10mm/s,重复提拉5~30次,旋涂的速度是500~7000转/min,最后将上述样品在450~500℃马弗炉中煅烧约30~60min。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述的水热合成条件为80~
200℃的温度下,在装有10~20mL去离子水、6~17mL质量分数为37%的浓盐酸和0.5~5mL钛酸四丁酯的反应釜中处理2-19h,然后取出样品用氮气吹干。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(4)所述的在TiO2纳米棒上沉积PANI纳米粒子,是指利用原位氧化法在TiO2纳米棒上组装PANI导电高分子颗粒,反应条件为:配制100mL的0.2~0.5mol/L苯胺盐酸盐溶液,并加入3~7g过硫酸铵和4g聚乙烯吡咯烷酮k-30,混合均匀;将面积为1.5cm×1.0cm的表面生长有TiO2纳米棒的硅片置于反应液中,保持室温下搅拌1~8h,得到Si/TiO2/PANI三维仿生复合材料。
8.如权利要求1所述一种基于消除反射和双层P/N异质结的三维仿生复合材料用作光催化降解有机污染物的应用,其特征在于:将1.5cm×1.0cm面积的Si/TiO2/PANI三维仿生复合材料放置于5mL的亚甲基蓝溶液,浓度为1.0×10-5mol/L,然后将其置于暗处1h让其达到吸附-解吸平衡,之后用光源对溶液进行光照,对亚甲基蓝进行降解。
9.如权利要求1所述一种基于消除反射和双层P/N异质结的三维仿生复合材料在光催化领域或光电转化器件领域的应用。
10.如权利要求1所述一种基于消除反射和双层P/N异质结的三维仿生复合材料在太阳能电池领域的应用。