當(dāng)陽光充裕時(shí)，太陽能電池是極好的替代能源。為了在其他時(shí)段展現(xiàn)太陽能的優(yōu)點(diǎn)，需要一些能量儲(chǔ)存手段，并且普遍的選擇是將水分解成氫和氧-“儲(chǔ)氫”。位于堪培拉的澳大利亞國立大學(xué)的研究人員日前制造出一種反蛋白石結(jié)構(gòu)，將其均勻涂覆在CdS上，作為分離水的光電陽極，其表現(xiàn)優(yōu)于眾多已報(bào)道的CdS的器件。
光轉(zhuǎn)換效率的異質(zhì)結(jié)構(gòu)
類似水的普遍化合物是開發(fā)替代能源儲(chǔ)存的有吸引力的資源，但是將水分解成氫氣則需要半導(dǎo)體，利用其載荷子來提供氫氣和氧氣的還原和氧化反應(yīng)所需的能量，因此具有低光轉(zhuǎn)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(bào)道成功地用TiO2和ZnO納米結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)配置中的助催化劑來防止腐蝕，但這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高縱橫比形式下依然很難控制厚度和均勻性。
這項(xiàng)研究報(bào)告的首要作者Siva Karuturi解釋說：“使用半導(dǎo)體材料從水中光電化學(xué)產(chǎn)生氫，涉及了電子空穴對產(chǎn)生，電荷分離，轉(zhuǎn)移和表面化學(xué)反應(yīng)等各種重要步驟。這些過程對譬如納米結(jié)構(gòu)表面的分布性等半導(dǎo)體薄膜特性極其敏感，因此實(shí)現(xiàn)均勻性控制對改善整體光電化學(xué)性能起著重要作用。”
由Chennupati Jagadish領(lǐng)導(dǎo)的Karuturi與同事通過結(jié)合原子層沉積（ALD）和溶液離子轉(zhuǎn)移（SIT）在CdS上涂覆TiO2反向蛋白石，實(shí)現(xiàn)了這種均勻性操作。Karuturi講到：“據(jù)我們了解，這是來自SIT方法的第一份CdS報(bào)告，盡管之前已經(jīng)報(bào)道過各種化學(xué)和物理合成CdS的方法，包括SILAR法。大多數(shù)報(bào)道的方法不能在高縱橫比的納米結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)均勻分布的共形CdS涂層，SIT方法解決了這個(gè)長期存在的問題，并且可以擴(kuò)展到更多半導(dǎo)體?！?/p>
所得到的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)9.1 mA cm-2的飽和光電流密度，這是有史以來報(bào)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(yōu)勢
研究人員通過使用ALD涂覆聚苯乙烯微球來創(chuàng)建TiO2的反蛋白石結(jié)構(gòu)，該過程將結(jié)構(gòu)暴露于所需的化學(xué)物質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)的微球。
Karuturi解釋：“反蛋白石是一種三維相互連接的納米結(jié)構(gòu)，提供高界面表面，這對高效催化反應(yīng)和直接電荷傳輸路徑至關(guān)重要。此外其特征尺寸與入射光波長相當(dāng)，為定制光-物質(zhì)相互作用提供了機(jī)會(huì)?！?/p>
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(shí)現(xiàn)均勻CdS涂層的一種選擇，但ALD金屬硫化物處理過程復(fù)雜且需要處理氣態(tài)有毒物質(zhì)。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(jié)構(gòu)，然后將ZnO膜首先轉(zhuǎn)化成ZnS，最終轉(zhuǎn)化成CdS。
再加入1.5nm的非晶態(tài)TiO2有助于進(jìn)一步抑制載流子復(fù)合，進(jìn)一步提高光轉(zhuǎn)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(chǎn)生速率（141.3μmolcm-2 h-1）歸因于改進(jìn)后的界面電荷轉(zhuǎn)移和高量子效率。此外還報(bào)告了0V下RHE的光電流密度為6.6 mA cm-2，這表明該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)—電極分別用于氧化和還原反應(yīng)，或者單獨(dú)的光伏采光和電解水分離系統(tǒng)的組合來進(jìn)行水分解。用基于CdS系統(tǒng)改進(jìn)的光轉(zhuǎn)換效率證明了單帶隙半導(dǎo)體的電解池作為更簡單和更具成本效益的替代方案的實(shí)際潛力。
研究人員正在努力提高CdS非犧牲性電解質(zhì)的穩(wěn)定性，以及將SIT制造方法擴(kuò)展到其他半導(dǎo)體系統(tǒng)的可能性。
文章來自nanotechweb網(wǎng)站
化學(xué)慧納米材料系列產(chǎn)品
