當陽光充裕時，太陽能電池是極好的替代能源。為了在其他時段展現太陽能的優點，需要一些能量儲存手段，并且普遍的選擇是將水分解成氫和氧-“儲氫”。位于堪培拉的澳大利亞國立大學的研究人員日前制造出一種反蛋白石結構，將其均勻涂覆在CdS上，作為分離水的光電陽極，其表現優于眾多已報道的CdS的器件。
光轉換效率的異質結構
類似水的普遍化合物是開發替代能源儲存的有吸引力的資源，但是將水分解成氫氣則需要半導體，利用其載荷子來提供氫氣和氧氣的還原和氧化反應所需的能量，因此具有低光轉換效率和高腐蝕傾向的硫化鎘是非常急需的候選之一。盡管有報道成功地用TiO2和ZnO納米結構的異質結構配置中的助催化劑來防止腐蝕，但這些異質結構在高縱橫比形式下依然很難控制厚度和均勻性。
這項研究報告的首要作者Siva Karuturi解釋說：“使用半導體材料從水中光電化學產生氫，涉及了電子空穴對產生，電荷分離，轉移和表面化學反應等各種重要步驟。這些過程對譬如納米結構表面的分布性等半導體薄膜特性極其敏感，因此實現均勻性控制對改善整體光電化學性能起著重要作用。”
由Chennupati Jagadish領導的Karuturi與同事通過結合原子層沉積（ALD）和溶液離子轉移（SIT）在CdS上涂覆TiO2反向蛋白石，實現了這種均勻性操作。Karuturi講到：“據我們了解，這是來自SIT方法的第一份CdS報告，盡管之前已經報道過各種化學和物理合成CdS的方法，包括SILAR法。大多數報道的方法不能在高縱橫比的納米結構中實現均勻分布的共形CdS涂層，SIT方法解決了這個長期存在的問題，并且可以擴展到更多半導體。”
所得到的結構實現了高達9.1 mA cm-2的飽和光電流密度，這是有史以來報道的CdS光電極的最高光譜密度，并為無輔助太陽能氫氣的生成鋪平了道路。
SIT法的ALD確切優勢
研究人員通過使用ALD涂覆聚苯乙烯微球來創建TiO2的反蛋白石結構，該過程將結構暴露于所需的化學物質組成元素中，一次形成單原子層的涂層。該工藝對于制造厚度均勻且高質量的涂層非常有效。隨后的熱處理除去了具有良好催化作用的TiO2反蛋白石結構的微球。
Karuturi解釋：“反蛋白石是一種三維相互連接的納米結構，提供高界面表面，這對高效催化反應和直接電荷傳輸路徑至關重要。此外其特征尺寸與入射光波長相當，為定制光-物質相互作用提供了機會。”
盡管在高縱橫比表面上使用ALD工藝直接沉積CdS可以作為實現均勻CdS涂層的一種選擇，但ALD金屬硫化物處理過程復雜且需要處理氣態有毒物質。相反的，研究人員在陰離子和陽離子交換SIT步驟之前，使用相同的ALD工藝在10nm的ZnO上涂覆TiO2反蛋白石結構，然后將ZnO膜首先轉化成ZnS，最終轉化成CdS。
再加入1.5nm的非晶態TiO2有助于進一步抑制載流子復合，進一步提高光轉換效率。研究者將0.1V下RHE的飽和光電流密度（?9.0mA cm-2）和氫氣產生速率（141.3μmolcm-2 h-1）歸因于改進后的界面電荷轉移和高量子效率。此外還報告了0V下RHE的光電流密度為6.6 mA cm-2，這表明該結構可用于無輔助太陽能氫氣生成。
下一步工作
先前的工作嘗試使用雙電極電池結構—電極分別用于氧化和還原反應，或者單獨的光伏采光和電解水分離系統的組合來進行水分解。用基于CdS系統改進的光轉換效率證明了單帶隙半導體的電解池作為更簡單和更具成本效益的替代方案的實際潛力。
研究人員正在努力提高CdS非犧牲性電解質的穩定性，以及將SIT制造方法擴展到其他半導體系統的可能性。
文章來自nanotechweb網站
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