Nature Energy：TiO2薄膜修飾黑硅光電陽極帶來光電化學效率和穩定性的提高

【引言】

將太陽光轉化為電能，熱能或者化學燃料是可再生能源利用的主要途徑。利用光電化學法（PEC）從水中分離出氫氣，可以降低對化石燃料的依賴，并解決氣候變暖的問題。為了實現以上目標，PEC必須具備高效，簡單和成本低的特點，這就對電極材料的選擇提出了很高的要求。主要應用的材料有半導體氧化物，如TiO₂，Fe₂O₃ 和BiVO₄等，他們雖然成本低穩定性好，但是效率卻不高。除此以外，硅也是一種很好的PEC材料。

【成果簡介】

來自北京科技大學的張躍教授和威斯康星大學麥迪遜分校的Xudong Wang?副教授（共同通訊作者）近日在Nature Energy發表了題為Enhanced photoelectrochemical efficiency and stability using a conformal TiO₂?film on a black silicon photoanode的文章，介紹了他們在光電化學太陽能燃料上的最新進展。他們在納米結構的黑硅（b-Si ）表面上，成功的覆蓋了超薄TiO₂保護膜，使得在光電化學轉化過程中，光電流密度顯著提高，同時器件的效率也大大提升。

[致歉：很抱歉，未能找到通訊作者Xudong Wang的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！]

【圖文導讀】

圖1.黑硅光陽極的顯微觀察及光譜表征

ab. b-Si/TiO₂的SEM照片的前視圖和斷面圖

cd. b-Si/TiO₂/Co(OH)₂的SEM照片的前視圖和斷面圖

ef. 藍色虛線區域EDS的表征結果在補充信息的Fig. 1c,d中展示

g. b-Si/TiO₂/Co(OH)₂的TEM照片

hij. ?b-Si/TiO₂/Co(OH)₂的表征

k. 電沉積 Co(OH)₂薄層的高分辨TEM照片

l. b-Si/TiO₂/Co(OH)₂中Co的X射線光電子能譜測量

圖2.平面硅及黑硅光電陽極的PEC水氧化性能測試對比圖

a. b-Si/TiO₂/Co(OH)₂中電流形成和氧演化過程原理示意圖

b. 平面 Si/Co(OH)₂，平面 Si/TiO₂/Co(OH)₂、b-Si/Co(OH)₂、 b-Si/TiO₂/Co(OH)₂ 電極的電流密度-電壓曲線（Jph–V）

c. 一系列 Si/Co(OH)₂雙層電容電極的對比圖

d. ?平面 Si, b-Si 和 b-Si/TiO₂樣品的光反射-散射光譜圖

圖3.黑硅基光電陽極的亞硫酸鹽氧化和電荷分離性能測試圖

a. b-Si/Co(OH)₂和b-Si/TiO₂/Co(OH)₂對亞硫酸鹽氧化的Jph–V測量曲線

b. 從上圖中估算出b-Si/Co(OH)₂ 和b-Si/TiO₂/Co(OH)₂的電荷分離效率

圖4.空氣和電解液中黑硅光陽極的穩定性測量

a.新組合的樣品及大氣中老化三個月 b-Si/TiO₂/Co(OH)₂ 的 Jph–V 測量曲線

b. b-Si/Co(OH)₂ 和 b-Si/TiO₂/Co(OH)₂ 的光電流密度-時間測量曲線

c. ?b-Si/TiO₂/Co(OH)₂ 和光電化學氧化3、4小時的 b-Si/TiO₂/Co(OH)₂ SEM選取照片

【小結】

本文作者合成了穩定的黑硅光陽極，在PEC水分解中表現了良好的電荷分離能力。利用ALD技術在p-Si整個通道的表面覆蓋一層8nm厚的空穴導電的無針孔TiO₂保護層，結合 Co(OH)₂ OER 催化劑優化薄層，這種黑硅光電極表現出了?32.3 mA cm^-2?的飽和光電流，顯著優于 Si/Co(OH)₂ 和 b-Si/Co(OH)₂ 。這項成果表明， ALD TiO_2?可以同時提升黑硅電化學系統的效率和穩定性，給太陽能發電的燃料帶來新的希望。

文獻鏈接：Enhanced photoelectrochemical efficiency and stability using a conformal TiO2 film on a black?silicon photoanode( NATURE ENERGY ., 2017, DOI: 10.1038/nenergy.2017.45 )

本文由材料人新能源組 YueZhou 供稿，材料牛編輯整理。

點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！