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我科學(xué)家大幅提升利用太陽能制氫效率

科技日報發(fā)布時間:2021-07-31 09:44:05

中國電力新聞網(wǎng)訊 記者26日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉,該校俞書宏院士團(tuán)隊基于窄帶隙半導(dǎo)體材料,設(shè)計了一種具有近紅外活性的晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)光陽極材料,所研制的異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出優(yōu)異的光電化學(xué)制氫性能。相關(guān)成果日前發(fā)表在《自然·通訊》上。

將太陽能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)燃料提供了一種存儲可再生能源的方法。然而,光電化學(xué)制氫的實(shí)際應(yīng)用依然受阻于其低的能量轉(zhuǎn)換效率。目前,越來越多的半導(dǎo)體可以作為光陽極材料。但是,這些半導(dǎo)體一般具有寬的帶隙,這將他們的光譜吸收范圍限制在紫外光區(qū)和可見光區(qū)。但是紅外光占了太陽光能量的50%左右,所以,將材料的光譜吸收范圍擴(kuò)展至紅外區(qū)有助于器件的效率大幅提升。

窄帶隙半導(dǎo)體具備近紅外光譜吸收能力。然而,窄帶隙半導(dǎo)體中的電子—聲子相互作用會導(dǎo)致光生載流子的壽命變短,這會導(dǎo)致催化劑表面的光生空穴濃度降低,進(jìn)而降低了表面氧化反應(yīng)發(fā)生的概率。至今,近紅外光活性光陽極的光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)始終難以提高。

研究人員設(shè)計了一種具有晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)的三元合金基光陽極,該電極的光譜吸收范圍擴(kuò)展到了1100納米,其光電化學(xué)制氫的能量轉(zhuǎn)換效率得以改善。晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)由于避免了晶格失配的影響而降低了界面缺陷的存在,有利于降低光生載流子的復(fù)合速率。實(shí)驗證明,異質(zhì)結(jié)的存在提高了光生載流子的分離效率,進(jìn)而延長了載流子的壽命。因此,在近紅外光下,該材料光陽極的IPCE和光電流密度均展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

這項研究提出了一種具有近紅外活性的形貌異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑策略。通過將窄帶隙半導(dǎo)體的優(yōu)勢整合到晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)中,為設(shè)計有效的近紅外活性的光電化學(xué)器件提供了新的可能性。

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