固液体异质结中光生载流子分离机理研究取得新进展

AEnM

多孔BiVO4与电解液形成体异质结中少数载流子传输路径的可视化证据以及传输示意图

目前,太阳能利用主要靠太阳能电池将太阳能转化成电能,但电能存储困难,不方便使用。而氢能由于能量密度高、清洁环保、使用方便,被认为是一种理想的能源载体。光电化学分解水制氢是一种能将太阳能直接转化为可以存储的清洁能源——氢能的技术,然而光电化学电池的太阳能转换效率不高限制了其大规模应用。近年来,微纳结构调控成为提高半导体光电极转换效率的有效手段。研究结果表明纳米线、纳米棒、以及纳米孔等特殊微纳结构可以显著提高半导体光电极的光电转化性能。与平板电极相比,在这些微纳结构中,光的多重吸收、高的光生电荷分离效率,以及高界面电荷转移效率被认为是性能提高的三种可能原因。然而,目前还缺乏对每一项贡献的定量分析。此外,微纳结构电极中短的少数载流子迁移距离也没有直接实验证据的支持。因此,定量分析每一项的贡献以及提供直接实验证据对设计高效新型微纳结构光电极至关重要。

最近,南京大学物理学院环境材料与再生能源研究中心邹志刚教授、罗文俊副研究员课题组以多孔BiVO4光电极与电解液形成的固液体异质结为研究模型。通过对多孔异质结电极的光吸收、电子空穴分离效率以及表面电荷传输效率退耦合的定量研究,定量分析了每一项的贡献。结果表明高的电荷分离效率是多孔异质结实现高效率的关键因素,并首次利用空穴捕捉剂的方法实验证实了光生少数载流子在多孔异质结中传输路径,证明了多孔光电极高电荷分离效率的主要原因来自于更短的光生少数载流子传输路径。根据这一结果,提出了估计最优孔尺寸的方法,为光电极的微纳结构调控提供理论指导。这对有机太阳电池、光电化学电池等低成本光电转换与存储器件的研究具有重要借鉴意义。