Nature Energy：雙界面砷化鎵電極用于光解水，轉化效率可達13.1 %

【引言】

隨著光伏技術的不斷革新，太陽能電池在光電轉化效率得到大幅度提升的同時，其成本也在逐漸降低。然而將太陽能轉化的大量電能存儲起來也并非易事，依然是目前面臨的一大挑戰。采用人工光合作用實現水裂解產氫，將源源不斷的太陽能轉化為化學鍵，存儲在氫氣當中似乎是一種非常有效的光能轉化方式。在眾多的光催化體系當中，III-V族化合物半導體由于其材料屬性優異——接近理想的帶隙能量、適當的能帶位置以及良好的載流子收集和運輸效率，因此其本身表現出了優良的光催化性能，但其在光催化水裂解領域的應用卻非常受限，原因之一就是成本問題，單晶化合物半導體的制備工藝較為復雜且不好把控。此外，III-V族化合物半導體在光催化過程中，尤其是在酸性或堿性條件下，易發生光化學腐蝕，因而導致本征材料光催化性能和相應電極性能的急劇下降。為了解決半導體材料穩定性這一問題，科研工作者們對III-V族化合物等半導體光電極的保護和鈍化材料做了廣泛的研究工作，但多數研究都是基于單面光電極的構造之上，對于雙面光電極的構造和分析較為鮮見。

【成果簡介】

近日，南加州大學材料系Jongseung Yoon教授課題組在Nature Energy上發表了一篇題為“Printed assemblies of GaAs photoelectrodes with decoupled optical and reactive interfaces for unassisted solar water splitting”的文章，報道了一種III-V族化合物半導體新型光催化體系的設計策略。利用外延III-V族半導體的印刷組裝技術，實驗人員通過對犧牲層進行選擇性濕化學方法蝕刻，從而在晶片外延生長一層GaAs基薄膜疊層，并將其印刷到透明的襯底上，組裝成光催化水裂解的集成光電極。在制得的雙面GaAs光電極內部，存在一個PN結，因而能夠有效地減少材料的光吸收和電催化界面效應。基于金屬鈍化保護的GaAs光電極，研究人員構建了串聯的雙面疊層光催化裝置，并在無任何輔助的狀態下，對水裂解制氫進行了測試，其光能-氫能轉化率可達13.1%。

【圖文導讀】

圖1? 雙面集成化砷化鎵光電極的制作

(a)? 集成化GaAs光電極的制備過程示意圖；

(b)? 通過印刷組裝得到的GaAs光電極橫截面圖示。在催化過程中，當太陽光從玻璃基底的底部照射進來，催化產氫發生在電極表面，而電解則是發生在電極的另外一個表面；

(c)? 微米級GaAs光陰極的光學顯微圖片，由圖可知在晶片上形成歐姆接觸和抗反射涂層(ARC)；

(d)? 印刷在玻璃基底上，裸露的n⁺-GaAs的圖像，插圖為完整GaAs光電極的光催化活性表面，其中還包括聚亞酰胺封裝層和Pt共催化劑；

(e)? 厘米尺度下的GaAs光陽極圖像，插圖為電極表面的放大圖示；

圖2? GaAs光電極的光伏以及光學特性

(a)? GaAs光陰極的電流密度vs. 電壓(J-V)曲線;

(b)? GaAs光陰極的入射反射(θ≤13°)測試光譜圖：實驗數據為實線，理論計算數據為虛線；

(c)? 在不同厚度的Pt沉積層下，GaAs光陰極在水中的理論計算吸收光譜；

圖3? 雙面集成GaAs光陰極的電化學性能測試

(a)? 雙面GaAs光陰極的電流密度vs.電位(J-E)曲線；

(b)? 不同負載電壓下，GaAs光陰極的入射光子-電流轉化效率(IPCE)：歐姆接觸為實線，GaAs處為虛線；

(c)? 不同光強下，GaAs光陰極的J-E曲線；

圖4? 雙面集成GaAs光陰極的穩定性測試

(a) ?雙面集成GaAs光陰極的電流密度-時間(J-t)曲線圖，其中催化界面由兩種不同材料構成，裸露(bare)的GaAs和金屬鈍化的GaAs；

(b)? 裸露和金屬鈍化的GaAs光陰極的示意圖，以及影響材料穩定性的相關光物理和光電化學過程；

(c)? 相同條件下，GaAs光陰極的電流密度圖示：方塊和三角形分別代表裸露的和金屬鈍化的GaAs光陰極；

(d)? 不同鈦厚度的雙金屬沉積層下，GaAs光陰極的的電流密度曲線；

圖5? 串聯的雙面疊層GaAs光電極器件的電光化學性能測試

(a)? 用于無輔助光催化水裂解的串聯電極示意圖(頂部)，攝影圖(左下)和光學顯微圖像(右下)；

(b)? 對應的串聯系統的能帶圖；

(c)? GaAs光陰極、光陽極以及串聯疊層系統的J-V曲線；

(d)? GaAs光陰極(粉紅色)、光陽極(藍色)的J-E曲線；

(e) ?雙電極構造中，串聯疊層系統的J-E曲線；

【小結】

III-V族化合物半導體光電極的設計和制備目前相關的報道依舊較少，本文中展示的印刷集成雙面光催化電極克服了眾多傳統晶片生長光催化水裂解體系的缺點。采用外延生長印刷組件的手段制備得到了GaAs光電極，在無任何輔助條件下，其光能-氫能轉化率可高達13.1%，這也為有效調控光吸收、載流子運輸、電催化和抗腐蝕提供了一種現實可行的途徑。本文中所報道的這種材料設計和制備理念，同樣也有望應用于其他材料之中，如IV、 III-V、III-N族半導體。

原文鏈接：Printed assemblies of GaAs photoelectrodes with decoupled optical and reactive interfaces for unassisted solar water splitting(Nature Energy., 2017, doi:10.1038/nenergy.2017.43)

本文由材料人新能源組 深海萬里 供稿，材料牛編輯整理。

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