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從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏院士團(tuán)隊(duì)基于窄帶隙半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)了一種具有近紅外活性的晶格匹配光陽極材料。開發(fā)的異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出優(yōu)異的光電化學(xué)制氫性能。相關(guān)成果日前發(fā)表在《自然?通訊》上。
太陽能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)燃料提供了一種儲(chǔ)存可再生能源的方法。然而，光電化學(xué)制氫的實(shí)際應(yīng)用仍因其能量轉(zhuǎn)換效率低而受到阻礙。目前，越來越多的半導(dǎo)體可以用作光陽極材料。然而，這些半導(dǎo)體通常具有較寬的帶隙，這將它們的光譜吸收范圍限制在紫外和可見光區(qū)域。然而，紅外光約占太陽能的 50%。因此，將材料的光譜吸收范圍擴(kuò)展到紅外區(qū)域?qū)⒋蟠筇岣咂骷男省?/span>
窄帶隙半導(dǎo)體具有吸收近紅外光譜的能力。然而，窄帶隙半導(dǎo)體中的電子-聲子相互作用會(huì)縮短光生載流子的壽命，從而降低催化劑表面光生空穴的濃度，從而降低表面氧化反應(yīng)的概率。迄今為止，近紅外光活性光陽極的光電轉(zhuǎn)換效率（IPCE）一直難以提高。
研究人員設(shè)計(jì)了一種具有晶格匹配形態(tài)異質(zhì)結(jié)的三元合金基光陽極。電極的光譜吸收范圍擴(kuò)大到1100納米，提高了光電化學(xué)制氫的能量轉(zhuǎn)換效率。晶格匹配形貌異質(zhì)結(jié)避免了晶格失配的影響，減少了界面缺陷的存在，有利于降低光生載流子的復(fù)合速率。實(shí)驗(yàn)證明異質(zhì)結(jié)的存在提高了光生載流子的分離效率，從而延長了載流子的壽命。因此，在近紅外光下，該材料的光電陽極的IPCE和光電流密度均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
本研究提出了一種具有近紅外活性的形態(tài)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建策略。通過將窄帶隙半導(dǎo)體的優(yōu)勢整合到晶格匹配形貌異質(zhì)結(jié)中，為設(shè)計(jì)有效的近紅外光電化學(xué)器件提供了新的可能性。
