Nature Energy：双界面砷化镓电极用于光解水，转化效率可达13.1 %

【引言】

随着光伏技术的不断革新，太阳能电池在光电转化效率得到大幅度提升的同时，其成本也在逐渐降低。然而将太阳能转化的大量电能存储起来也并非易事，依然是目前面临的一大挑战。采用人工光合作用实现水裂解产氢，将源源不断的太阳能转化为化学键，存储在氢气当中似乎是一种非常有效的光能转化方式。在众多的光催化体系当中，III-V族化合物半导体由于其材料属性优异——接近理想的带隙能量、适当的能带位置以及良好的载流子收集和运输效率，因此其本身表现出了优良的光催化性能，但其在光催化水裂解领域的应用却非常受限，原因之一就是成本问题，单晶化合物半导体的制备工艺较为复杂且不好把控。此外，III-V族化合物半导体在光催化过程中，尤其是在酸性或碱性条件下，易发生光化学腐蚀，因而导致本征材料光催化性能和相应电极性能的急剧下降。为了解决半导体材料稳定性这一问题，科研工作者们对III-V族化合物等半导体光电极的保护和钝化材料做了广泛的研究工作，但多数研究都是基于单面光电极的构造之上，对于双面光电极的构造和分析较为鲜见。

【成果简介】

近日，南加州大学材料系Jongseung Yoon教授课题组在Nature Energy上发表了一篇题为“Printed assemblies of GaAs photoelectrodes with decoupled optical and reactive interfaces for unassisted solar water splitting”的文章，报道了一种III-V族化合物半导体新型光催化体系的设计策略。利用外延III-V族半导体的印刷组装技术，实验人员通过对牺牲层进行选择性湿化学方法蚀刻，从而在晶片外延生长一层GaAs基薄膜叠层，并将其印刷到透明的衬底上，组装成光催化水裂解的集成光电极。在制得的双面GaAs光电极内部，存在一个PN结，因而能够有效地减少材料的光吸收和电催化界面效应。基于金属钝化保护的GaAs光电极，研究人员构建了串联的双面叠层光催化装置，并在无任何辅助的状态下，对水裂解制氢进行了测试，其光能-氢能转化率可达13.1%。

【图文导读】

图1 双面集成化砷化镓光电极的制作

(a) 集成化GaAs光电极的制备过程示意图；

(b) 通过印刷组装得到的GaAs光电极横截面图示。在催化过程中，当太阳光从玻璃基底的底部照射进来，催化产氢发生在电极表面，而电解则是发生在电极的另外一个表面；

(c) 微米级GaAs光阴极的光学显微图片，由图可知在晶片上形成欧姆接触和抗反射涂层(ARC)；

(d) 印刷在玻璃基底上，裸露的n+-GaAs的图像，插图为完整GaAs光电极的光催化活性表面，其中还包括聚亚酰胺封装层和Pt共催化剂；

(e) 厘米尺度下的GaAs光阳极图像，插图为电极表面的放大图示；

图2 GaAs光电极的光伏以及光学特性

(a) GaAs光阴极的电流密度vs. 电压(J-V)曲线;

(b) GaAs光阴极的入射反射(θ≤13°)测试光谱图：实验数据为实线，理论计算数据为虚线；

(c) 在不同厚度的Pt沉积层下，GaAs光阴极在水中的理论计算吸收光谱；

图3 双面集成GaAs光阴极的电化学性能测试

(a) 双面GaAs光阴极的电流密度vs.电位(J-E)曲线；

(b) 不同负载电压下，GaAs光阴极的入射光子-电流转化效率(IPCE)：欧姆接触为实线，GaAs处为虚线；

(c) 不同光强下，GaAs光阴极的J-E曲线；

图4 双面集成GaAs光阴极的稳定性测试

(a) 双面集成GaAs光阴极的电流密度-时间(J-t)曲线图，其中催化界面由两种不同材料构成，裸露(bare)的GaAs和金属钝化的GaAs；

(b) 裸露和金属钝化的GaAs光阴极的示意图，以及影响材料稳定性的相关光物理和光电化学过程；

(c) 相同条件下，GaAs光阴极的电流密度图示：方块和三角形分别代表裸露的和金属钝化的GaAs光阴极；

(d) 不同钛厚度的双金属沉积层下，GaAs光阴极的的电流密度曲线；

图5 串联的双面叠层GaAs光电极器件的电光化学性能测试

(a) 用于无辅助光催化水裂解的串联电极示意图(顶部)，摄影图(左下)和光学显微图像(右下)；

(b) 对应的串联系统的能带图；

(c) GaAs光阴极、光阳极以及串联叠层系统的J-V曲线；

(d) GaAs光阴极(粉红色)、光阳极(蓝色)的J-E曲线；

(e) 双电极构造中，串联叠层系统的J-E曲线；

【小结】

III-V族化合物半导体光电极的设计和制备目前相关的报道依旧较少，本文中展示的印刷集成双面光催化电极克服了众多传统晶片生长光催化水裂解体系的缺点。采用外延生长印刷组件的手段制备得到了GaAs光电极，在无任何辅助条件下，其光能-氢能转化率可高达13.1%，这也为有效调控光吸收、载流子运输、电催化和抗腐蚀提供了一种现实可行的途径。本文中所报道的这种材料设计和制备理念，同样也有望应用于其他材料之中，如IV、 III-V、III-N族半导体。

原文链接：Printed assemblies of GaAs photoelectrodes with decoupled optical and reactive interfaces for unassisted solar water splitting(Nature Energy., 2017, doi:10.1038/nenergy.2017.43)

本文由材料人新能源组 深海万里 供稿，材料牛编辑整理。

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