▲第一作者：Purushothaman Varadhan, Hui-Chun Fu；通讯作者：何志浩 (Jr-Hau He)教授;
通讯单位：香港城市大学,阿卜杜拉国王科技大学
论文DOI：
10.1038/s41467-019-12977-x
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1.
基于 III-V 族半导体制备工艺，提出一种简单有效地分离光捕获过程和电化学反应过程的策略。
2.通过外延剥离和转移技术，InGaP/GaAs 光阳极保持 9 % 的 STH 效率和长达 150 小时的稳定性。
3.构建完整的“人工绿叶”体系，STH 效率达到 6 %。
背景介绍
自然界中太阳光无法持续地用于光伏发电，将其驱动分解水产生可存储的氢能是转化太阳能燃料的一种途径。III-V 族半导体具有合适的带隙宽度和高达 10-19 % 的 STH 效率，但是低稳定性和高价格阻碍其实际应用。目前绝大多数的 PEC 体系集成了表面保护层、吸光半导体和电催化剂。添加能级合适、超薄且透明的保护层可进一步提高 PEC 体系的稳定性，但保护层的要求往往十分严格。同时，电催化剂透光性差和催化性能低等问题，都会导致 PEC 体系性能和稳定性不尽如人意。另一方面，GaAs 或者 Ge 基底占据 76 % 成本，无法回收和重复利用将会造成巨大浪费。
鉴于此，作者提出分离光捕获过程与电化学反应过程的策略，可极大提高 III-V 族 PEC 体系的光能转化性能；利用外延剥离和转移技术，降低原材料成本，同时确保 PEC 体系维持高的 STH 效率和稳定性。
研究出发点
香港城市大学何志浩 (Jr-Hau He) 教授与过去在沙特阿卜杜拉国王科技大学课题组在 Nature Communiaction 发表文章，该文章提出将光捕获过程与电化学反应过程分离的策略，结合外延剥离和转移技术，改善 III-V 族 PEC 体系分解水产生氢气的活性和稳定性，器件具备柔性和低成本等特点，构建的“人工绿叶”体系 STH 效率达到 6 %。传统的 PEC 器件将透光性差的电催化、保护层与光电极集成在同一侧，光能转化效率低，稳定性差。
作者将反光性能好的电催化剂与保护层集成到光电极的另一侧，达到光捕获过程与电化学反应过程分离的目的，可提升 PEC 器件的效率和稳定性。另一方面，作者提出外延剥离和转移技术，在晶圆尺寸下将成本较高的 InGaP/GaAs 转移到柔性基底上，可以提高材料重复使用次数和降低 PEC 器件的成（图1）。
作者测试了基于 InGaP/GaAs 双结光电极的光伏性能，其中截止电流达到 11.7 mA/cm
2
，开路电压为 2.25 V，串联太阳能电池的填充因子达到 0.77，在无外加电压辅助下能够驱动水分解 (~1.7-1.8 V)。表观量子效率测试表明在 400-900 nm 内小于 65 %，其中 InGaP 主要吸收蓝光，截止电流达到 10.6 mA/cm
2
，GaAs 主要吸收红光， 截止电流达到 14.7 mA/cm
2
。在 AM 1.5G 标准太阳光照明下 InGaP/GaAs 双结光电极的截止电流为 12.5 mA/cm
2
。
考虑到 HER 和 OER 催化剂的过电位，作者通过模拟太阳能转化效率发现理论的 STH 效率最高能够达到 16 %（图2）。在实际 PEC 测试过程中，用 0.5 M KOH 溶液作为电解质溶液，以甘汞电极为参比，铂为对电极，作者测试了三电极系统下 InGaP/GaAs 串联光阳极的 CV 曲线，产氢电流密度达到 10.1 mA/cm
2
，填充因子为 0.77，PEC 效率达到 12.4 %。由于较高的开路电压 (|V
OS
-E
。
|=2.0 V) 可以直接分解水，作者将对电极换成沉积铂的泡沫镍，在两电极系统下光照产生氢气的电流密度达到 9.8 mA/cm
2
，PEC 效率达到 12.1 %。在该电解质溶液中，串联光阳极的 InGaP 组分 IPCE 到达 68.5 %，截止电流为7.5 mA/cm
2
；GaAs 组分分别为 79.9 % 和 11.9 mA/cm
2
。
因此通过 IPEC 测试 InGaP/GaAs 光阳极的最大电流密度为 7.5 mA/cm
2
，STH 效率高达 9 %。作者测试了在不同电解质溶液中 InGaP/GaAs 光阳极的 PEC 分解水性能，其中在中性 1 M Na
2
SO
4
溶液中 (pH 7) 产氢电流密度为 8.4 mA/cm
2
，在碱性 0.5 M KOH 溶液中 (pH 14) 产氢电流密度为 10.1 mA/cm
2
。即使在红海海水中 (pH 8.2) 产氢电流密度也能达到 8.3 mA/cm
2
，展现出优异的太阳光驱动分解水性能，为利用太阳光分解海水制备氢气提供潜在选择。
在三电极无外加偏压的情况下，InGaP/GaAs 光阳极的 PEC 分解水稳定性高达 150 小时，在两电极下产氢电流达到 9.8 mA/cm
2
和稳定性超过 10 小时。XPS 测试表明表面的金属镍在 PEC 反应过程中转变成氧化物和氢氧化物，实际氢气和氧气产率与理论计算值十分接近（图3）。以铂作为阴极材料，镍片作为阳极材料，作者通过外延剥离和转移技术完整地组装了基于 InGaP/GaAs 的“人工绿叶”器件，该器件成功集成了良好的光捕获功能和催化 HER/OER 性能，输出电压能够直接驱动分解水产生氢气和氧气。在 AM 1.5G 光照 30 分钟下氢气和氧气生成速率分别为 0.41 ul/s和0.19 ul/s，STH 效率达到 6 %，真正实现了无外接导线下光驱动分解水（图4）。在 1000 次的弯曲测试下“人工绿叶”器件能够保持稳定的产氢电流。
图文解析
▲图 1. 分离光捕获过程与电化学反应过程：(a)传统单面PEC器件设计；(b)分离光捕获过程的组分设计；(c)利用外延剥离和转移技术在柔性基底上制备 InGaP/GaAs 串联光阳极的 PEC 体系的示意图；(d-e)晶圆尺寸下在单晶 GaAs 基底上反向生长 InGaP/GaAs，通过外延剥离技术转移到柔性镍基底之前(d)和之后(e)的照片;(f)转移到柔性镍基底后 InGaP/GaAs 串联光阳极的横断面TEM照片。
▲图 2. PEC 体系的光伏特性和理论模拟：(a)双结 InGaP/GaAs 的光伏特性曲线；(b)表观量子效率测试；(c)InGaP/GaAs 串联光电极的能带图；(d)利用能带结构模拟在合适过电位下 InGaP/GaAs 串联电催化剂的光电极 STH 效率.
▲图 3. PEC 水分解性能：(a)InGaP/GaAs 串联光阳极在三电极系统下的 CV 曲线；(b)两电极下的 LSV 曲线；(c)光捕获组分在不同光波段下的 IPCE 曲线；(d)InGaP/GaAs 串联光阳极在不同pH和红海海水中的 CV 曲线；(e)无偏压情况下 InGaP/GaAs 串联光阳极在三电极和两电极系统的电流-时间曲线；(f)两电极系统下氢气和氧气浓度随时间变化曲线。
▲图 4. 无外接导线的 PEC 器件结构和演示：(a) 无外接导线的 PEC 器件结构；(b) Pt/Pt, Pt/RuO
x
,和 Pt/NiO
x
电极作为 HER/OER 催化剂的 CV 曲线；(c)电流密度为 10 mA/cm
2
下的电流-时间曲线；(d)无外接导线的 PEC 体系在光照下氢气和氧气产量随时间变化曲线。
本文 III-V 族 PEC 体系为研究对象，通过分离其中的光捕获组分和电催化组分，改善其 PEC 效率和稳定性。利用外延剥离和转移技术，双结 InGaP/GaAs 光电极展示出 9 % 的 STH 效率和长达 150 小时的稳定性。作者成功组装了 “人工绿叶”器件，实现了 6 % 的 STH 效率。该器件具备高效、稳定和柔性等特点，可实际应用于 PEC 体系制备氢气。
何志浩(Jr-Hau He)教授，其研究领域是神經形態工程在網路安全與深度学习(Neuromorphic engineering for cybersecurity and deep learning)，與光电器件的光管理，包括光侦测器与太阳能电池，光电解水电池。这几年基于过去的基础瞄准材料学、电子学、信息学、物理与化学等学科的交叉领域，研究兴趣延伸至纳米能源材料与器件、自供电系统、纸印刷电子学，可挠式/透明电子组件等基础与应用研究。除了科学研究之外，何志浩教授对技术工业化相当重视，积极参与产学合作、持续技术转移给工业界。基于上述学术贡献和前沿研究经验，积极开展科研项目。他是美国光学学会(OSA),国际光学工程学会(SPIE)与皇家化学学会(RSC)会士。目前也是 IEEE Electron Devices Society 與 Nanotechnology council 杰出讲师(Distinguished Lecturer)。
何志浩(Jr-Hau He)教授课题组在Department of Materials Science and Engineering, City University of Hong Kong (CityU) 拟招收博士生若干名。
1. 光电催化(Photoelectrochemical hydrogen generation and CO2 reduction)
2. 忆阻神经元器件 (Memristor Synapses for Neuromorphic Computing)
二、在满足 CityU 基本入学条件的基础上，满足以下所以条件者优先考虑
2. 具有化学、物理及材料相关背景，丰富物理器件制备的研究背景者；
3.具有独立思考问题和科研能力，同时具有团队协作精神；
4. 托福 79 分以上或者雅思 6.5（Cityu要求），具有优异的英语书面和口头表达能力。
Hong Kong PhD Fellowship Scheme (HKPFS)
https://www.cityu.edu.hk/pg/hong-kong-phd-fellowship-scheme
http://www.cityu.edu.hk/catalogue/pg/201819/programme/MSE2_P.htm
Information regarding applications can be found on the homepage of the Chow Yei Ching School of Graduate Studies
(http://www.sgs.cityu.edu.hk/prospective/apply/procedures).
满足要求者请直接网上同时申请上面两项奖学金。敬请关注具体的申请和截止日期。申请完成以后，可以转发申请号/申请成功邮件，并附简历到何志浩老师邮箱 （[email protected]）
