我科學家大幅提升利用太陽能制氫效率

記者26日從中國科學技術大學獲悉，該校俞書宏院士團隊基於窄帶隙半導體材料，設計了一種具有近紅外活性的晶格匹配的形貌異質結光陽極材料，所研製的異質結表現出優異的光電化學制氫性能。相關成果日前發表在《自然·通訊》上。

將太陽能直接轉化為化學燃料提供了一種存儲可再生能源的方法。然而，光電化學制氫的實際應用依然受阻於其低的能量轉換效率。目前，越來越多的半導體可以作為光陽極材料。但是，這些半導體一般具有寬的帶隙，這將他們的光譜吸收範圍限制在紫外光區和可見光區。但是紅外光佔了太陽光能量的50%左右，所以，將材料的光譜吸收範圍擴展至紅外區有助於器件的效率大幅提升。

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

研究人員設計了一種具有晶格匹配的形貌異質結的三元合金基光陽極，該電極的光譜吸收範圍擴展到了1100納米，其光電化學制氫的能量轉換效率得以改善。晶格匹配的形貌異質結由於避免了晶格失配的影響而降低了界面缺陷的存在，有利於降低光生載流子的複合速率。實驗證明，異質結的存在提高了光生載流子的分離效率，進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出了優異的性能。

這項研究提出了一種具有近紅外活性的形貌異質結的構築策略。通過將窄帶隙半導體的優勢整合到晶格匹配的形貌異質結中，為設計有效的近紅外活性的光電化學器件提供了新的可能性。