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2021年07月27日
【科技日报】我科学家大幅提升利用太阳能制氢效率

科(ke)技日(ri)报合肥7月26日(ri)电(dian) (记(ji)者(zhe)吴长锋)记(ji)者(zhe)26日(ri)从中国科(ke)学技术(shu)大(da)学获悉,该校(xiao)俞书宏院士团队基于(yu)窄带隙半导(dao)体材料(liao),设(she)计了(le)一种(zhong)具有近红外(wai)活性的晶格匹配(pei)的形貌异质结光(guang)(guang)阳(yang)极(ji)材料(liao),所研制(zhi)的异质结表现出优异的光(guang)(guang)电(dian)化学制(zhi)氢性能。相关成果(guo)日(ri)前发表在《自然·通讯》上。

将(jiang)太阳能直接转化为化学燃料(liao)提供了一(yi)(yi)种存储可(ke)再生能源的(de)方(fang)法。然(ran)而,光(guang)(guang)电化学制氢的(de)实际应用依然(ran)受阻于其(qi)低(di)的(de)能量转换效(xiao)率。目前(qian),越(yue)来(lai)越(yue)多的(de)半(ban)导体可(ke)以(yi)作(zuo)为光(guang)(guang)阳极材料(liao)。但(dan)(dan)是,这些(xie)半(ban)导体一(yi)(yi)般具有宽的(de)带隙,这将(jiang)他们的(de)光(guang)(guang)谱(pu)吸(xi)(xi)收范围限制在(zai)紫外(wai)光(guang)(guang)区(qu)和可(ke)见光(guang)(guang)区(qu)。但(dan)(dan)是红外(wai)光(guang)(guang)占了太阳光(guang)(guang)能量的(de)50%左右,所以(yi),将(jiang)材料(liao)的(de)光(guang)(guang)谱(pu)吸(xi)(xi)收范围扩展(zhan)至红外(wai)区(qu)有助于器件的(de)效(xiao)率大幅提升。

窄带隙(xi)半(ban)导体具备近红外(wai)光(guang)谱(pu)吸收能力。然而,窄带隙(xi)半(ban)导体中的(de)电子(zi)—声子(zi)相互作用(yong)会导致(zhi)光(guang)生(sheng)(sheng)载流子(zi)的(de)寿(shou)命变短,这(zhei)会导致(zhi)催化剂(ji)表面的(de)光(guang)生(sheng)(sheng)空穴(xue)浓度降低,进而降低了表面氧化反(fan)应发生(sheng)(sheng)的(de)概率。至今(jin),近红外(wai)光(guang)活性光(guang)阳极的(de)光(guang)电转换效率(IPCE)始终难以提(ti)高。

研究人员(yuan)设计了(le)(le)一(yi)种具(ju)有晶(jing)(jing)格(ge)匹(pi)配(pei)的形貌异质(zhi)结(jie)的三(san)元合(he)金基光(guang)(guang)阳极(ji)(ji),该电极(ji)(ji)的光(guang)(guang)谱吸收范围(wei)扩展(zhan)到了(le)(le)1100纳(na)米,其光(guang)(guang)电化(hua)学制氢(qing)的能(neng)量(liang)转(zhuan)换效率(lv)得以改善。晶(jing)(jing)格(ge)匹(pi)配(pei)的形貌异质(zhi)结(jie)由于避(bi)免了(le)(le)晶(jing)(jing)格(ge)失配(pei)的影(ying)响而(er)降低了(le)(le)界面(mian)缺陷(xian)的存(cun)在(zai),有利(li)于降低光(guang)(guang)生载流子(zi)的复(fu)合(he)速(su)率(lv)。实(shi)验证明,异质(zhi)结(jie)的存(cun)在(zai)提(ti)高了(le)(le)光(guang)(guang)生载流子(zi)的分离效率(lv),进(jin)而(er)延(yan)长了(le)(le)载流子(zi)的寿命。因此(ci),在(zai)近红外光(guang)(guang)下,该材(cai)料光(guang)(guang)阳极(ji)(ji)的IPCE和光(guang)(guang)电流密度均展(zhan)现出了(le)(le)优异的性能(neng)。

这项研究提出(chu)了一种具有近(jin)红外活性(xing)的(de)(de)形貌(mao)异(yi)质(zhi)结(jie)的(de)(de)构筑策略。通(tong)过将窄(zhai)带隙(xi)半导体的(de)(de)优势整合到晶格匹配的(de)(de)形貌(mao)异(yi)质(zhi)结(jie)中,为设(she)计有效(xiao)的(de)(de)近(jin)红外活性(xing)的(de)(de)光电化学器(qi)件提供了新的(de)(de)可能性(xing)。


《科技日报》(2021年07月27日



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