光电催化分解水Ⅲ-Ⅴ族半导体光电极薄膜保护策略
发布时间：2022-01-02 17:39
Ⅲ-Ⅴ族半导体材料（如GaAs、InP、GaP等）具有抗辐射性能高、温度特性好、耐高温等特点。相比于其他材料构建的光电催化体系,由这类半导体构成的光电极具有更高的太阳能吸收效率和光电转换效率。然而,大多数Ⅲ-Ⅴ族半导体在水溶液电解质中的物理化学性质很不稳定,导致太阳能驱动分解水性能衰减较快。基于此,本文综述了薄膜保护层在改善Ⅲ-Ⅴ族半导体光电极电化学稳定性方面的主要成就和研究现状,分析总结了获得稳定高效的光电反应界面和分解水效率的策略,探讨了导致材料衰减的原因和相应改善措施,最后展望了薄膜保护策略的未来发展前景。
【文章来源】：化学进展. 2020,32(09)北大核心SCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
(a)和(b)对应稳定和不稳定半导体电极的能带排列,其中nEdecomp表示阴极分解电位,pEdecomp表示阳极分解电位[17]
图4 (a) 致密TiO2薄膜包裹的InP纳米阵列的SEM图片;(b) TiO2/InP光电性能测试J-E曲线[34]图6 (a)保护层厚度为16 nm的SrTiO3/np-GaAs(001)光阴极示意图;(b)保护层SrTiO3与同质结np-GaAs(001)界面的高角度环状暗场图像;(c) 对应的H2O/SrTiO3和SrTiO3/GaAs(001)界面的能量;(d) SrTiO3/n-GaAs(001)界面XPS的价带位置[39]
在能源短缺的大背景下,清洁能源的转换、存储和利用成为了近几十年来光电领域的研究热点。自1972年 Fujishima和 Honda在紫外光照射下以n-TiO2作为光阳极、Pt作为阴极实现了光电催化水分解以来[1],光(电)催化因其可直接利用太阳能在室温下驱动水分解反应的优势,成为了理想而独特的氢能源生产技术之一[1～8]。而实现这一技术的关键就是开发高效、稳定且低成本的半导体光电极材料及其相关器件。图1给出了三种可用于太阳能分解水光电极的能带结构,可大致分为单光子、双光子和多光子三种类型[9],它们分别对应单结、双结和多结光电极。常见的单结半导体光电极往往不能满足光电化学分解水所需的严格带边缘位置和热力学过电位要求,因此很难实现可见光驱动的无偏压水分解。因此,人们更关注的是双结或多结构型光电极,希望它们可以实现高效的太阳能水分解。理论研究表明,在AM 1.5 G模拟太阳光照下,由1.70 eV顶结和1.05 eV底结组成的双结光电极能量转换效率可以达到27%。在可备选的材料中,Si的带隙很窄(1.1 eV)、制造工艺成熟,因而可以作为优异的底部吸光材料,但要找到一种在光电化学反应中稳定且能与硅单晶结合且实用的顶结吸收材料一直是一个极具挑战性的问题。Ⅲ-Ⅴ族半导体(如GaAs、InP、GaP等)被认为是第二代半导体材料,它们具有优异的光电性能,已经在光伏、光通信以及新能源等众多领域中获得了一些重要的应用[10～14],而且与Si有比较好的适配性。以典型的GaAs材料为例,其晶体结构为立方闪锌矿结构(如图2所示),直接带隙禁带宽度为1.42 eV[10]。与传统的Si材料相比,GaAs具有许多优异的电学性能,如电子迁移率高、电荷的饱和漂移速度快、介电常数小、耐高温和半绝缘性能好[11],因此,GaAs被广泛地应用于场效应晶体管、发光二级管激光器、薄膜太阳能电池以及太阳能分解水光电极的制备[12～14]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]光催化全分解水制氢中助催化剂表面氢氧复合反应的抑制[J]. 王蒙,马建泰,吕功煊. 分子催化. 2019(05)
[2]全固态Z-Scheme光催化材料应用于二氧化碳还原和光催化分解水研究进展[J]. 时晓羽,李会鹏,赵华. 分子催化. 2019(04)
[3]g-C3N4和Ni2P的复合及其光催化产氢性能研究[J]. 赵云霏,毋瑞仙,蒋平平,董玉明. 分子催化. 2018(02)
本文编号：3564600
【文章来源】：化学进展. 2020,32(09)北大核心SCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
(a)和(b)对应稳定和不稳定半导体电极的能带排列,其中nEdecomp表示阴极分解电位,pEdecomp表示阳极分解电位[17]
图4 (a) 致密TiO2薄膜包裹的InP纳米阵列的SEM图片;(b) TiO2/InP光电性能测试J-E曲线[34]图6 (a)保护层厚度为16 nm的SrTiO3/np-GaAs(001)光阴极示意图;(b)保护层SrTiO3与同质结np-GaAs(001)界面的高角度环状暗场图像;(c) 对应的H2O/SrTiO3和SrTiO3/GaAs(001)界面的能量;(d) SrTiO3/n-GaAs(001)界面XPS的价带位置[39]
在能源短缺的大背景下,清洁能源的转换、存储和利用成为了近几十年来光电领域的研究热点。自1972年 Fujishima和 Honda在紫外光照射下以n-TiO2作为光阳极、Pt作为阴极实现了光电催化水分解以来[1],光(电)催化因其可直接利用太阳能在室温下驱动水分解反应的优势,成为了理想而独特的氢能源生产技术之一[1～8]。而实现这一技术的关键就是开发高效、稳定且低成本的半导体光电极材料及其相关器件。图1给出了三种可用于太阳能分解水光电极的能带结构,可大致分为单光子、双光子和多光子三种类型[9],它们分别对应单结、双结和多结光电极。常见的单结半导体光电极往往不能满足光电化学分解水所需的严格带边缘位置和热力学过电位要求,因此很难实现可见光驱动的无偏压水分解。因此,人们更关注的是双结或多结构型光电极,希望它们可以实现高效的太阳能水分解。理论研究表明,在AM 1.5 G模拟太阳光照下,由1.70 eV顶结和1.05 eV底结组成的双结光电极能量转换效率可以达到27%。在可备选的材料中,Si的带隙很窄(1.1 eV)、制造工艺成熟,因而可以作为优异的底部吸光材料,但要找到一种在光电化学反应中稳定且能与硅单晶结合且实用的顶结吸收材料一直是一个极具挑战性的问题。Ⅲ-Ⅴ族半导体(如GaAs、InP、GaP等)被认为是第二代半导体材料,它们具有优异的光电性能,已经在光伏、光通信以及新能源等众多领域中获得了一些重要的应用[10～14],而且与Si有比较好的适配性。以典型的GaAs材料为例,其晶体结构为立方闪锌矿结构(如图2所示),直接带隙禁带宽度为1.42 eV[10]。与传统的Si材料相比,GaAs具有许多优异的电学性能,如电子迁移率高、电荷的饱和漂移速度快、介电常数小、耐高温和半绝缘性能好[11],因此,GaAs被广泛地应用于场效应晶体管、发光二级管激光器、薄膜太阳能电池以及太阳能分解水光电极的制备[12～14]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]光催化全分解水制氢中助催化剂表面氢氧复合反应的抑制[J]. 王蒙,马建泰,吕功煊. 分子催化. 2019(05)
[2]全固态Z-Scheme光催化材料应用于二氧化碳还原和光催化分解水研究进展[J]. 时晓羽,李会鹏,赵华. 分子催化. 2019(04)
[3]g-C3N4和Ni2P的复合及其光催化产氢性能研究[J]. 赵云霏,毋瑞仙,蒋平平,董玉明. 分子催化. 2018(02)
本文编号：3564600
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