我国科学家大幅提升利用太阳能制氢效率

2021-07-28 16:21  来源:科技日报 吴长锋  浏览:  

记者26日从中国科学技术大学获悉,该校俞书宏院士团队基于窄带隙半导体材料,设计了一种具有近红外活性的晶格匹配的形貌异质结光阳极材料,所研制的异质结表现出优异的光电化学制氢性能。相关成果日前发表在《自然·通讯》上。

将太阳能直接转化为化学燃料提供了一种存储可再生能源的方法。然而,光电化学制氢的实际应用依然受阻于其低的能量转换效率。目前,越来越多的半导体可以作为光阳极材料。但是,这些半导体一般具有宽的带隙,这将他们的光谱吸收范围限制在紫外光区和可见光区。但是红外光占了太阳光能量的50%左右,所以,将材料的光谱吸收范围扩展至红外区有助于器件的效率大幅提升。

窄带隙半导体具备近红外光谱吸收能力。然而,窄带隙半导体中的电子—声子相互作用会导致光生载流子的寿命变短,这会导致催化剂表面的光生空穴浓度降低,进而降低了表面氧化反应发生的概率。至今,近红外光活性光阳极的光电转换效率(IPCE)始终难以提高。

研究人员设计了一种具有晶格匹配的形貌异质结的三元合金基光阳极,该电极的光谱吸收范围扩展到了1100纳米,其光电化学制氢的能量转换效率得以改善。晶格匹配的形貌异质结由于避免了晶格失配的影响而降低了界面缺陷的存在,有利于降低光生载流子的复合速率。实验证明,异质结的存在提高了光生载流子的分离效率,进而延长了载流子的寿命。因此,在近红外光下,该材料光阳极的IPCE和光电流密度均展现出了优异的性能。

这项研究提出了一种具有近红外活性的形貌异质结的构筑策略。通过将窄带隙半导体的优势整合到晶格匹配的形貌异质结中,为设计有效的近红外活性的光电化学器件提供了新的可能性。

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