光電催化太陽能分解水，光電性能提高方法頂刊案例大盤點！

光電化學水分解電池，是通過半導體電吸收太陽光產生光生載流子，而后通過載流子在體相或外電路的遷移，從而與水發(fā)生氧化或者還原反應。光電化學水分解電池能夠將太陽能轉化氫能進行存儲，不受太陽光時間、空間分布不均的影響。

光電化學水分解電池的器件結構有多種組成方式，例如通過光伏電池與光電串聯，可以獲得較高的太陽 能轉化效率，但結構成本也相對較高；而通過p型光陰和n型光陽組成的疊層結構，不僅擁有較高的理論轉化效率( 約28 %) ，同時成本相對較低，是理想的器件結構。

圖1 p-n 疊層光電化學水分解電池示意圖(a) 和性能曲線(b)

p-n 疊層光電化學水分解電池結構如圖1a 所示，太陽光從n型光陽側照射，光陽吸收短波長的光，長波長光穿透過光陽被后側的光陰吸收。在光陽上發(fā)生水的氧化反應，光陰上發(fā)生水的還原反應。

為了使得此器件能夠無偏壓工作，需要光陽和光陰的光電流相互匹配、有交點。如圖1b 所示的Jop ，器件的太陽能轉化效率η =Jop·(1.23 V) /Pin，Pin為入射光強度(mW·cm-2) ，因此兩個電的交點電流決定了器件的終效率。

Dunwei Wang課題組發(fā)表在Nature Communications的一篇工作中，在通過Fe2O3光陽和非晶Si光陰組成的器件，獲得了當時高約0.9%的太陽能轉化效率；（上圖，DOI：10.1038/ncomms8447）

天津大學鞏金龍、王拓等通過在Cu( In, Ga) Se2上構筑p-n結，與BiVO4光陽組成的器件獲得了約1. 01 %的太陽能轉化效率；（DOI：10.1039/C7EE03650G）

Michael Grätzel.課題組在Nature Catalysis的一篇工作中，利用Cu2O作為光陰，通過Ga2O3、TiO2、NiMo等多層結構調控后，與BiVO4光陽組成器件，終獲得了約3%的太陽能轉化效率；（上圖，DOI：10.1038/s41929-018-0077-6）

Kazunari Domen教授團隊在Energy Environ. Sci.發(fā)文，通過調控CuIn1-xGaxSe2中 x 的數值，將獲得的高性能CuIn0.5Ga0.5Se2光陰與BiVO4光陽串聯，獲得了約3.7 %的太陽能轉化效率，也是目前的高效率。（上圖，DOI：10.1039/C8EE01783B）

盡管如此，p-n 疊層電池的效率距10%還有一定的距離，為了能夠獲得更高效率的p-n 疊層光電化學水分解電池，需要更高效的光陽和光陰組合。

光電性能提高方法

在光電化學分解水中，太陽能轉化效率與半導體電直接相關。半導體電對太陽光的吸收效率、產生的 電子-空穴的分離效率以及電表面發(fā)生水分解反應的動力學速度等，都會對太陽能轉化效率產生影響。因此，下文主要從半導體電形貌、摻雜及表面改性等方面進行介紹。

1. 形貌調控

電材料的形狀、孔徑大小、晶界密度等因素，不僅會影響材料的光吸收效率，還會影響光生載流子的遷 移距離、載流子的分離效率，從而影響電的光電化學性能。

羅文俊、鄒志剛教授在一篇Adv. Energy Mater.工作中，通過在摻氟氧化錫( fluorine doped tin oride，FTO) 上制備了多孔BiVO4電，并且與致密平板電進行了對比研究，如上圖所示。

多孔結構的BiVO4電由于減少了反射和透射，對光的吸收要高于平板結構電。 此外，多孔結構減少了光生空穴的傳輸距離，提高了光生載流子的分離效率，使光電流相比于致密電有了明顯的提高。但多孔結構的光電也不是孔越多越好。 （上圖，DOI：10.1002/aenm.201301785）

隨后，他們通過調節(jié)旋涂濕度制備了不同孔密度的Cu( In, Ga)S2電，如上圖所示，發(fā)現孔過多時，其少數載流子電子雖然傳輸容易，但多數載流子空穴卻需要傳輸更長的距離才能到達襯底，反而降低了分離效率，因此多孔結構的孔密度也是重要因素。載流子在晶界處也容易復合，因而薄膜的晶界密度對光電的性能也有重要影響。（上圖，DOI：10.1088/1361-6463/aa8af5）

在Nano Energy的一篇工作中，他們又通過原位助熔劑的方法，使Cu2ZnSnS4(CZTS) 的顆粒在薄膜生長過程中逐漸長大，減小了晶界密度，如上圖所示，使光電化學的性能得到了大幅的提高。（上圖，DOI：10.1016/j.nanoen.2017.09.006）

氧化鐵(Fe2O3) ，由于具有合適的帶隙(～2.1 eV) ， 擁有約15%的理論太陽能轉化效率，在1. 23 eV 處的理論光電流能達到約12. 6 mA·cm-2。此外，在堿性電解液中，Fe2O3也具有很好的穩(wěn)定性，是光解水陽材料的較好選擇。

但是，Fe2O3同時也存在著吸光系數差、光生空穴傳輸距離短(2～4 nm) 等限制因素，導致了目前基于Fe2O3光陽的光電轉化效率依舊較低。由于Fe2O3的空穴傳輸距離太短，因此對Fe2O3的微納結構調控顯得尤其重要。

為獲得具有納米結構的Fe2O3，Michael Grätzel課題組在Angew發(fā)表的工作中，通過氣相沉積的方法在FTO上制備了菜花結構的Fe2O3，獲得了當時非常高的性能( 3 mA·cm-2@1. 23 V RHE ) 。（DOI：10.1002/anie.201003110）

Yat Li課題組通過對Fe2O3納米棒進行電化學誘導，生成了約10 nm 厚的納米片狀Fe2O3，其光電流也提高了3倍。（上圖，DOI：10.1016/j.nanoen.2014.12.023）

天津大學鞏金龍教授課題組在Angew上發(fā)文，通過兩次水熱的方法，在Fe2O3納米棒上長出來刺狀結構，提高了固液接觸面積和界面電荷注入效率， 終使Fe2O3的性能達到了3. 1 mA·cm-2@1. 23 V RHE。 （上圖，DOI：10.1002/anie.201705772）

南京大學周勇教授課題組通過改變FeOOH的煅燒方式，避免了煅燒過程中結構倒坍、燒結，制備了多孔納米柱狀結構的Fe2O3，使得單純Fe2O3的性能達到了2.0 mA·cm-2@ 1.23 V RHE 和3.5 mA·cm-2@ 1. 71 VRHE。（上圖，DOI：10.1021/acsami.8b00367）

Yilin Liu等發(fā)現 FeOOH的晶相結構會對煅燒過程有影響：當FeOOH 為緊密堆積的β相時，煅燒過程中納米棒會燒結，終得到的Fe2O3納米棒會比較粗(約65nm)；而當FeOOH為層狀結構的γ相時，煅燒過程中結構會脫水斷裂，能生成超細結構的納米棒(約20 nm) ，其光電流相比于直徑較粗的Fe2O3，也有了1.5 倍的提升。（上圖，DOI：10.1088/1361-6463/aa6fb7）

2. 摻雜改性

摻雜是常見的調控材料結構及電學和光學性質的手段，通常非常少量的雜質離子摻雜就能顯著改變主體材料的性質。純的Fe2O3存在嚴重的光生載流子復合、較差的導電性等問題，在光電化學分解水上表現出較低的性能。

合適的離子摻雜不僅能夠提高載流子的濃度，還可以提高材料的導電性、減小光生載流子的復合，有助于 提升材料的光電化學性能。

能提高Fe2O3光電性能的摻雜離子種類較多， 如Ti4+、Pt4+、Sn4+、Zr4+、Si4+、P4+、 Zn2+、Mg2+等離子摻雜都被報道對Fe2O3的性能有提升作用。

高價離子( 如四價離子) 摻雜等為n型摻雜，可以提高Fe2O3作為光陽的氧化性能。

Alan Kleiman-Shwarsctein課題組制備了Pt4+摻 雜的Fe2O3，盡管Pt4+能夠提高Fe2O3光電流，但是如果摻雜濃度過高，則會減小Fe2O3電的空間電荷層，導致嚴重的電子空穴復合。（DOI：10.1021/cm800144q）

在Fe2O3的摻雜上，Ti4+是目前研究較多的摻雜離子，Yat Li課題組通過超快光譜測試，對比Ti4+摻雜與未摻雜的Fe2O3，發(fā)現在摻雜后樣品的瞬態(tài)吸收衰減曲線比未摻雜樣品的高，表明在此時間尺度上，摻雜后樣品的光生空穴和電子的復合降低了。（DOI：10.1021/nl202316j）

鄒志剛教授課題組通過水熱法制備了Ti4+摻雜的Fe2O3，并研究了Ti4+ 對Fe2O3結構性能的影響。通過莫特肖特基譜，發(fā)現Ti4+摻雜對其帶邊位置沒有影響，但載流子濃度提升了1個量級，這也是Ti4+摻雜能顯著提高Fe2O3光電流的主要原因。近年來除了Ti4+摻雜，Sn4+的摻雜也引起了廣泛的注意。（DOI：10.1039/C3CE26811J）

Michael Grätzel課題組在JACS發(fā)表的一項工作中，通過800 ℃高溫煅燒的方式，無意中將襯底FTO中的Sn摻雜進了Fe2O3，使Fe2O3在1.23 V RHE 處的光電流由10 μA·cm-2提高到了0. 56 mA·cm-2。（上圖，DOI：10.1021/ja101564f）

由于從襯底擴散的Sn摻雜不均勻且不可控，Yat Li課題組通過在Fe2O3上滴涂Sn4+溶液后用SiO2包覆煅燒，后除去 SiO2包覆層的方式，制備了高濃度的Sn4+摻雜Fe2O3，提 高了電的水氧化性能，莫特肖特基譜也證明了摻雜后 載流子濃度約有1個數量級的提升。（DOI：10.1021/acs.nanolett.7b00184）

除了高價離子外，低價離子( 如二價離子) 摻雜等可作為p 型摻雜，可以提高Fe2O3作為光陰的還原性能。

Fe2O3由于存在的氧缺陷問題，一般是n型半導體，因此常見的Fe2O3也都是作為光陽，但是通過合適的離子摻雜，也能夠改變其導帶位置，使其變?yōu)閜型半導體，用于光陰還原反應。

Dunwei Wang課題組在JACS發(fā)表的文章中，通過原子層沉積的方式在n型Fe2O3表面沉積了一層Mg2+摻雜Fe2O3，并且通過電化學阻抗譜、莫特肖特基和光電化學性質等測試，證明了Mg2+摻雜Fe2O3是一個p 型半導體，終構筑的p-n 同質結使電的開啟電勢下降了約200 mV。（上圖，DOI：10.1021/ja300319g）

中科院理化所師文生課題組在具有ZnO陣列的FTO上，用電沉積的方式制備了FeOOH，通過高溫離子擴散的方式使Zn2+摻雜入Fe2O3， 后去除ZnO模板獲得了p型Zn2+摻雜Fe2O3的空心納米管光陰，并展現出了較高的開啟電勢。（上圖，DOI：10.1039/C3CC40599K）

3. 表面改性

光電化學分解水過程的催化反應主要發(fā)生在電表面，因此電表面的狀態(tài)對整個水分解過程有重要作用。 半導體光電表面會存在表面態(tài)或偏析相，容易發(fā)生光生載流子的復合，因此消除表面復合中心，加快表面水分解動力學速率是表面改性的主要目標。

（1）消除表面復合中心

在一些多元金屬材料或者摻雜材料中，會出現表面元素偏析現象。在先前的報道中，通過簡單的電化學方 法、熱剝離、機械剝離等方法，能夠有效消除其表面相， 從而提高電材料的光電化學性能。

除了在材料制備后對表面偏析相進行處理外，黃維院士團隊對Fe2O3的煅燒過程進行改進，發(fā)現通過短時間淬火的方式，能夠在制備過程中就降低表面的偏析、提高體相摻雜濃度，從而提高Fe2O3電的性能。XPS表征發(fā)現，通過短時間高溫淬火可以有效降低Fe2O3表面的Ti偏析， 莫特肖特基曲線也發(fā)現高溫淬火后的載流子濃度相比于 常溫取出的Fe2O3高了6 倍，因此他們認為高 溫淬火的方式可以將摻雜離子固定在材料晶格內部，防止向表面偏析，從而減小表面復合，提高材料光電化學性能。（上圖，DOI：10.1002/cnma.201600108）

光電材料表面由于晶格缺陷、雜質原子、吸附等情況，會引入表面態(tài)，成為光生電子和空穴的復合中心。 在光電化學中，可以通過對電表面進行修飾，引入鈍化層，從而減少載流子復合。

國家納米科學中心魏志祥和河南大學黃永偉等通過原子層沉積 (ALD) 的方式在TiO2納米管陣列上制備了高質量的Al2O3層，通過熒光光譜發(fā)現，在制備Al2O3層后，其熒光強度明顯降低，表明在表面的載流子復合降低，終使光電性能提高了0. 8倍。表面鈍化層的引入，不僅能夠減少載流子的復合，同時也能夠對不穩(wěn)定的電材料進行保護。（上圖，DOI：10.1021/am5016765）

Contact Paul C. McIntyre課題組發(fā)表的一篇Nature Materials中，通過原子層沉積的方式，在Si電上制備了約2 nm厚的TiO2層，使Si電在強酸、中性和強堿溶液中都表現出來不錯的穩(wěn)定性。（DOI：10.1038/nmat3047）

氮化鉭( Ta3N5) 帶隙約為 2.1 eV，具有約16%的理論太陽能轉化效率，在1.23 V RHE處的理論光電流可以達到12. 5 mA·cm-2。中科院大連化物所施晶瑩和李燦院士課題組發(fā)表在Energy Environ. Sci.的工作表明，Ta3N5的實驗光電流值也已經達到了12. 1 mA·cm-2，幾乎達到了理論限，這也表明了Ta3N5是一種非常有潛力的光陽材料。但盡管如此，Ta3N5材料本身還存在 著穩(wěn)定性差、開啟電勢低等問題。（DOI：10.1039/C5EE03802B）

Dunwei Wang課題組在Chem發(fā)文，發(fā)現在光電化學分解水過程中，Ta3N5的表面會自氧化生成一層非 晶的富氧層，導致費米能級下降，終導致其性能衰減。 因此，對Ta3N5的表面進行鈍化處理，不僅能提高性能，對其長期穩(wěn)定性的提高也十分重要。

通過在Ta3N5表面用ALD制備一層致密的MgO層，將其表面與水及富氧物質隔開。通過引入MgO層，Ta3N5光電不但穩(wěn)定性得到了較大的提升，其光電流曲線的填充因子也得到了提升，表明載流子的表面復合也得到了抑制。 （上圖，DOI：10.1016/j.chempr.2016.09.006）

Kazunari Domen教授課題組在Angew發(fā)表的一篇文章中，通過在Ta3N5表面引入GaN 鈍化層，使原本 在1 h 時光電流就幾乎衰減為零的Ta3N5電的穩(wěn)定性提 高到了12 h 以上幾乎沒有太大衰減，并且其法拉第效率保持100%。（上圖，DOI：10.1002/anie.201700117）

天津大學鞏金龍教授課題組通過ALD的方法在Ta3N5上沉積了10 nm厚的TiO2，減少了表面復合，降低了100 mV左右的開啟電勢。為了獲得較薄且均勻的鈍化層，一般都 使用濺射或ALD 等方法。（上圖，DOI：10.1039/C6CC03411J）

在對TiO2鈍化層的研究中，羅文俊課題組通過化學浴沉積的方法在Ta3N5上制備了一層TiO2，并且發(fā)現水溶液法制備的TiO2中含有的羥基基團會影響電的性能。

通過在氮氣氛圍下高溫短時間處理，可以減少TiO2中的羥基基團。通過阻抗測試以及捕獲實驗發(fā)現，減少羥基基團，可以增加導電性，提高界面電荷的傳輸效率，從而提高了Ta3N5的性能，但過高的溫度 處理會破壞Ta3N5樣品本身，因此該處理中對Ta3N5的處 理溫度不能過高。（上圖，DOI: 10.1039/C7RA04647B）

（2）加快表面反應動力學速率

在提高光電的水分解性能上，表面擔載水分解電催化劑是非常有效的方法。電催化劑是高性能光電化學水分解不可或缺的部分，因此作為理想的電催化劑，必須具有較高的催化活性以及長期穩(wěn)定性。

自從CoPi 產氧電催化劑被報道后，其由于高活性、自修復等優(yōu)異的性能，一度成為了常見的光陽助催化劑，替代了貴金屬Ru，Ir 基的催化劑。在近期的研究 中，過渡金屬Fe，Co，Ni基產氧催化劑受到了廣泛的關 注。

Shannon W. Boettcher課題組先在JACS發(fā)文，發(fā)現溶液中非常微量的Fe元素無意的摻雜能夠大幅提高Ni (OH) 2的產氧活性。此后 Boettcher、Bell 等課題組的多個報道也證實了微量 Fe 對于Ni 以及Co羥基氧化物的性能有至關重要的作用，甚至Fe在其中可能起到了整個反應活性中心的作用。

經過多個參數調控實驗，Nenad M. Markovic等重排了過渡金屬羥基氧化物的活性順序為FeOxHy＞ CoxHy＞ NixHy，與之前Subbaraman 等的報道相反。（DOI：10.1038/nmat3313）

盡管FeOOH可能在單過渡金屬羥基氧化物中具有高的本征活性，但是由于FeOOH 在堿性電解液尤其是高電電位下容易生成可溶 性的FeO42-，FeOOH沒有明顯的氧化還原峰，以及其導電性差等因素，對于純的FeOOH在實際測試過程表現出 的較差的產氧活性和理論高性能之間的矛盾，目前還沒有合適的解釋。

羅文俊課題組發(fā)現通過高溫短時間煅燒除去α-FeOOH 表面吸附水的方法，可以提高α-FeOOH 的產氧活性和穩(wěn)定性，通過理論計算發(fā)現，表面吸附水會與FeOOH 表面的O形成強的氫鍵，影響活性位點對OH－ 的吸附和氧化，從而影響了其產氧的活性。 （DOI：10.1039/C6TA08719A）

隨后他們制備了亞穩(wěn)態(tài)、大孔道結構的類β相( schwertmannite) FeOOH 薄膜電，并且在其表面負載了少量 Ni(OH)2。在外加偏壓下，覆蓋在亞穩(wěn)態(tài)類β相FeOOH表面的Ni2+會以某種離子或離子團的形式進入到類β相 FeOOH 的結構孔道，與孔道周邊的Fe原子成鍵形成 NiFe2O4，使得雙層催化劑的產氧活性和穩(wěn)定性都大幅提升。α-FeOOH的晶型結構穩(wěn)定，沒有大孔道。因此在外加偏壓下，α-FeOOH/Ni(OH)2并沒有展現出特殊的變化，僅是單純性能的疊加，產氧活性也小于β-FeOOH/Ni(OH)2。因此，在FeOOH、NiOOH雙層電催化劑中，FeOOH 的晶相對Fe/Ni 雙層結構催化劑的性能有較大影響。（DOI：10.1002/asia.201700964）

電催化劑本身的性能固然重要，其與半導體材料之間的接觸對電性能也有重要影響。

在Science的一篇報道中，Kyoung-Shin Choi課題組對FeOOHNiOOH擔載對BiVO4電性能的影響做了詳細的研究。BiVO4/FeOOH/NiOOH 的擔載方式要比BiVO4/ NiOOH/FeOOH具有更高的光電化學水氧化活性，其原因在于在BiVO4/NiOOH 界面的載流子復合要比BiVO4/ FeOOH嚴重，但是BiVO4/NiOOH 具有相對較好的開啟電勢。（DOI: 10.1126/science.1246913）

進一步研究表明，這是由于NiOOH/電解液接觸界面可以導致一個更合適的亥姆霍茲層電位降。因此通過 構筑BiVO4/FeOOH/NiOOH 雙層電催化劑，優(yōu)化半導體/電催化還有電催化/電解液的界面，使得BiVO4光陽的性能得到了大幅的提升。在此研究后，FeOOH/NiOOH雙層電催化劑幾乎已經成為了釩酸鉍電不可缺少的部分。

李燦院士團隊同時也研究了FeOOH 層在Ta3N5上的作用。他們認為FeOOH起了空穴存儲的作用，通過在 Ta3N5上引入FeOOH，可以起到將空穴從Ta3N5存儲到 FeOOH中的作用，從而提高了穩(wěn)定性。（DOI：10.1002/anie.201404697）

2016年，該課題組依舊通過引入TiO2鈍化層和FeOOH/NiOOH雙層，使得Ta3N5在1.23 V RHE 的光電流達到了12. 1 mA·cm-2，接近了理論值。

南京大學周勇教授課題組發(fā)現FeB 和FexS助催化劑都可以抑制光生載流子的復合，提高Fe2O3光電的水分解性能。（DOI：/10.1016/j.jcat.2017.04.029）

但目前在Fe2O3上降低開啟電勢有效的催化劑為NiFeOx。關于Fe2O3的開啟電勢差，Dunwei Wang課題組認為是由于Fe2O3大量的表面態(tài)導致費米能級釘扎，通過NiFeOx助催化劑的引入，大程度降低了表面費米能級的釘扎效應，因此獲得了較好的開啟電勢。（上圖，DOI：10.1002/anie.201306263）

Kenji Katayama課題組研究了將NiFeOx擔載在Fe2O3上后光生載流子的遷移，他們通過瞬態(tài)光柵技術發(fā)現，擔載了NiFeOx后，電表面捕獲的空穴數量增加了，但是捕獲的電子數量沒有變化，這表明其光電化學性能的增加是來自于表面空穴濃度的增加，減小了表面復合的效果。（上圖，DOI：10.1021/acsomega.7b00021）

未來之路

雖然光電化學水分解電池是理想、高效、低成本的利用太陽能制取氫氣的方法，但是單一光電性能過低會導致所組成的器件無法達到真正的無偏壓工作或者效率過低。

本文列舉了通過對光電進行微觀形貌調控、 離子摻雜、表面偏析相的消除和表面鈍化層修飾提高光電性能的方法。同時也對近年來過渡金屬電催化劑的發(fā)展，尤其是鐵、鎳羥基氧化物的研究和其在提高半導 體光電上展現出的優(yōu)異的效果進行了闡述。

除此之外， 還可以結合瞬態(tài)吸收和瞬態(tài)熒光光譜等技術，對半導體光生載流子的在超快時間內的動力學進行研究，探究不同的形貌、摻雜、表面修飾等對光生載流子的傳輸、復合的影響，更加了解光電在光電化學分解水中的基礎問題，從而可以選擇合適的改性方式。通過這些方法對光電載流子分離、復合和傳輸等方面進行改進，期望能使光陰與光陽擁有更高的性能，組成器件后擁 有更大的匹配電流，獲得更高的無偏壓太陽能分解水效率，實現真正的規(guī)�；瘧�。