王双印\/周怀娟AM：缺陷增强光电阳极电荷分离与传输！

纳米人 · 公众号 · · 2018-06-22 08:11

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第一作者：郑建云

通讯作者：王双印、周怀娟

通讯单位：湖南大学、中科院上海硅酸盐所

文章亮点：

1. 利用Nb掺杂和等离子体处理的协同效应成功制造了具有高效电荷分离和转移的NiO _x /黑色Si光电阳极。

2. 通过协同效应选择性调控电极内的氧缺陷，从而形成合适的能带结构并且提供了有利的空穴迁移通道，有望为进一步提高光电极性能奠定基础。

将太阳能转换为化学能，是众多科学家毕生追求的重要目标。其中，光电化学（PEC）水分解是实现这一目标的关键途径之一。NiO _x /Si基光电阳极在模拟太阳光照射和高外加电压下产生了高的光电流密度，且能维持数个月。然而，非优化的界面能量和高的电阻，导致NiO _x /Si基光电阳极在1.23V（vs可逆氢电极）下的电流密度仍然相对较低。

因此，为了实现高性能的光电化学水分解效率，改善光电阳极的电荷分离和转移效率刻不容缓。

有鉴于此，湖南大学王双印教授和中国科学院上海硅酸盐研究所周怀娟博士团队合作提出了一种简单的两步路线，通过调节氧缺陷的浓度和种类来增强NiO _x 基/ Ni /黑Si光电阳极中光生载流子的分离和传输。

图1. NiO _x /Ni/黑Si光电阳极的空穴传输和电荷分离示意图

硅（Si）需要保护层来维持稳定且长时间的光阳极反应。然而，差的电荷分离和转移是降低保护层/ Si光电阳极的水分解效率的关键约束因素。研究人员设计了一系列实验来探索Nb掺杂NiO _x /黑Si光电阳极中电荷分离和迁移的增强机制。

在这些光电阳极中，黑Si是主要的光吸收剂，NiO _x 基层用作保护层和空穴传导层。Nb掺杂和等离子体处理的协同作用显著提高了光电阳极的电荷分离效率（η _sep ），而单个Nb掺杂或等离子体处理缺乏这种正效应，甚至使PEC性能失活。NiO _x 基层中氧缺陷的浓度和种类对调控界面电子能带结构和产生空穴传导通路起着至关重要的作用。

由等离子体处理诱导的Nb掺杂的NiO _x /Ni/黑Si光阳极中电荷分离和转移效率显著增强。最优的光电阳极在1.23V（vs可逆氢电极）产生约81％的最高电荷分离效率（η _sep ），对应于约29.1mA cm ^-2 的光电流密度。