Nature Energy: 多激發子用于光電化學析氫反應，量子產率超過100％

【引言】

用于能源儲存，燃料和原料的太陽能到化學能源轉換，特別是解決溫室氣體排放，是太陽能發電領域科學家的主要目標之一。高效的太陽能轉換效率是技術可行性的關鍵，因為這直接影響到被覆蓋的土地面積，最終會影響系統的成本。限制太陽能轉換系統轉換效率的主要因素是具有大于半導體帶隙（Eg）能量的光子產生了通過電子π聲子散射弛豫的熱載流子，隨后的聲子耗散降低了能量轉換效率。

【成果簡介】

量子點（QDs）中的多重激子產生（MEG）有可能大大提高太陽能電池和太陽能燃料生產中的功率轉換效率。在MEG過程中，從一個高能光子的吸收產生兩個電子-空穴對（激子），通過發射聲子繞過熱載流子冷卻。在2017年4月4日Nature Energy上的一篇題為“Multiple exciton generation for photoelectrochemical hydrogen evolution reactions with quantum yields exceeding 100%”的文章中，美國國家可再生能源實驗室科學與納米科學中心Matthew C. Beard課題組提出，通過MEG生產的額外的載流子可用于驅動100％以上的量子效率的化學反應。研究人員開發了一種硫化鉛（PbS）QD光電化學電池，能夠從外部量子效率超過100％的Na₂S溶液中驅動析氫。當入射光子能量大于帶隙能量的2.7倍時，測量的所有QD光電極都顯示出MEG。該研究結果表明了探索太陽能燃料高效率方法的新方向。

【圖文導讀】

圖一： MEG PEC電池結構

a，PEC裝置示意圖。QD層構成光電陽極的有源區。右邊是光生空穴氧化硫化物，而電子在Pt陰極上還原氫。鹽橋連接兩個電極并運輸H⁺和Na⁺。

b，相對于正常氫電極，NHE（V），QD光電極的能級（E_g為QD帶隙）。電子使QD層通過TiO ₂具有足夠的化學勢來將H⁺還原成H₂，而空穴可以氧化硫化物。

c，d，QD層厚度為（c）265nm和（d）370nm的典型PbS QD光電極的掃描電子顯微照片。兩個圖像的比例尺相同。

e，對于在單個量子點內吸收的高能量光子，MEG產生可以參與氧化和還原反應的兩個或多個電子-空穴對。在QD表面使用化學反應可以將額外的載體直接儲存在化學鍵上。

圖二：PEC性能表征

a，在Na₂S含水電解質中，PbS QD光電極產氫有帶隙E_g為0 .85eV（紅色圓圈），0.92eV（綠色正方形）和1.08eV（黑色三角形）的EQE（填充符號）。以及對380-500nm范圍內的IPCE（開放符號）進行比較。

b，PbS QD光電極的典型穩態斬光電流測量（尺度為5 μAcm^-2）。

c，符號表示PbS QD光電極在帶隙E_g為0.85eV（紅色圓圈），0.92eV（綠色方塊）和1.08eV（黑色三角形）的IPCE。 虛線是溶液中QD的吸收光譜。

圖三：前后照明的IPCE

前面（實心圓）和背面（空心圓）照明和QD層的兩個厚度（藍色= 265nm和紅色= 370nm）的IPCE（QD E_g：0.85eV）的比較。（插圖：光照路徑的演示）

圖四：吸收光子到電流的效率測量

a，APCE作為照明光子能量（eV）的函數。

b，APCE作為入射光能除以QD帶隙能量或帶隙的倍數（hv/E_g）的函數。（藍色實線，線性擬合hv/E_g為1.6至2.5和2.8至3.6）。閾值光子能量（(hv_th/ E_g）約為2.7。

?【總結】

在該研究結果表明，在燃料形成反應中可以捕獲多重激子產生的電子。對于未來設計和開發PEG系統來說，可以利用MEG來光分解水，以產生氫燃料，目標是超越Shockley-Queisser極限。串聯或并聯的兩個或多個光電極能夠利用MEG，這是未來研究的一個潛在領域。最后，為了發揮最大的作用，MEG起始應盡可能接近兩倍的帶隙。正在進行的研究顯示MEG起始的更多接近2E_g極限的新異構結構QD系統。

文獻鏈接：Multiple exciton generation for photoelectrochemical hydrogen evolution reactions with quantum yields exceeding 100%（Nature Energy, 2017，doi:10.1038/nenergy.2017.52）

本文由材料人新能源組 背逆時光 供稿，材料牛編輯整理。

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