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2021.07.27

【科技日报】我科学家大幅提升利用太阳能制氢效率

科(ke)技(ji)日(ri)报合肥7月26日(ri)电(dian) (记者(zhe)吴(wu)长锋(feng))记者(zhe)26日(ri)从(cong)中(zhong)国科(ke)学技(ji)术(shu)大学获悉,该校俞书宏院士团队基于(yu)窄带(dai)隙半导(dao)体(ti)材料,设计了一(yi)种具有近红外(wai)活性的(de)晶(jing)格匹配(pei)的(de)形貌异(yi)质结光(guang)阳极(ji)材料,所研(yan)制(zhi)的(de)异(yi)质结表现出优异(yi)的(de)光(guang)电(dian)化(hua)学制(zhi)氢性能。相(xiang)关成果日(ri)前发(fa)表在《自然·通讯》上。

将(jiang)太(tai)阳(yang)能直接(jie)转化为化学燃料(liao)(liao)提供了一种存储可(ke)(ke)再生能源的(de)(de)(de)(de)方法。然(ran)而,光(guang)(guang)电化学制氢的(de)(de)(de)(de)实际应用(yong)依然(ran)受(shou)阻(zu)于其(qi)低的(de)(de)(de)(de)能量(liang)转换效率。目(mu)前,越来越多的(de)(de)(de)(de)半导(dao)体(ti)可(ke)(ke)以(yi)作为光(guang)(guang)阳(yang)极材料(liao)(liao)。但(dan)是,这些半导(dao)体(ti)一般(ban)具(ju)有(you)宽的(de)(de)(de)(de)带隙,这将(jiang)他们的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)谱(pu)吸收范(fan)围(wei)限制在紫(zi)外光(guang)(guang)区和可(ke)(ke)见光(guang)(guang)区。但(dan)是红外光(guang)(guang)占了太(tai)阳(yang)光(guang)(guang)能量(liang)的(de)(de)(de)(de)50%左右(you),所以(yi),将(jiang)材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)谱(pu)吸收范(fan)围(wei)扩展至红外区有(you)助于器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)效率大幅提升。

窄(zhai)带隙(xi)(xi)半导(dao)体(ti)具备(bei)近红外光谱吸收能力。然而,窄(zhai)带隙(xi)(xi)半导(dao)体(ti)中的(de)电(dian)子(zi)—声子(zi)相互(hu)作(zuo)用(yong)会导(dao)致光生载流子(zi)的(de)寿命变短,这会导(dao)致催(cui)化剂(ji)表面的(de)光生空穴浓度降低(di),进而降低(di)了(le)表面氧化反应(ying)发生的(de)概(gai)率。至今,近红外光活性(xing)光阳极的(de)光电(dian)转(zhuan)换效(xiao)率(IPCE)始(shi)终难以提高。

研(yan)究人(ren)员设计了(le)(le)一种具有晶格(ge)匹(pi)(pi)配(pei)的(de)(de)(de)形貌(mao)异(yi)(yi)质(zhi)结的(de)(de)(de)三(san)元合金基光(guang)阳(yang)极,该电(dian)(dian)极的(de)(de)(de)光(guang)谱吸收范围扩展到了(le)(le)1100纳米,其光(guang)电(dian)(dian)化学制氢(qing)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量转换效率(lv)得以改善(shan)。晶格(ge)匹(pi)(pi)配(pei)的(de)(de)(de)形貌(mao)异(yi)(yi)质(zhi)结由于避免了(le)(le)晶格(ge)失(shi)配(pei)的(de)(de)(de)影响而降(jiang)低(di)了(le)(le)界(jie)面缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)存在(zai)(zai),有利于降(jiang)低(di)光(guang)生(sheng)载流子(zi)的(de)(de)(de)复合速率(lv)。实(shi)验证明,异(yi)(yi)质(zhi)结的(de)(de)(de)存在(zai)(zai)提高了(le)(le)光(guang)生(sheng)载流子(zi)的(de)(de)(de)分离效率(lv),进而延长了(le)(le)载流子(zi)的(de)(de)(de)寿命。因此,在(zai)(zai)近红外光(guang)下(xia),该材(cai)料(liao)光(guang)阳(yang)极的(de)(de)(de)IPCE和(he)光(guang)电(dian)(dian)流密度均(jun)展现出(chu)了(le)(le)优异(yi)(yi)的(de)(de)(de)性能(neng)(neng)。

这项研究(jiu)提出了一种具有近(jin)红外(wai)活(huo)性的(de)形(xing)貌异质结(jie)(jie)的(de)构(gou)筑策略。通过(guo)将(jiang)窄带隙半(ban)导(dao)体的(de)优势整合到晶格匹(pi)配的(de)形(xing)貌异质结(jie)(jie)中,为(wei)设(she)计有效的(de)近(jin)红外(wai)活(huo)性的(de)光电化学(xue)器件提供了新(xin)的(de)可能性。


《科技日报》(2021年07月27日



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