基于钙钛矿和铜铟镓硒的理想双吸收层光解水器件

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        一个理想的双吸收层光解水器件的实现依赖于钙钛矿和铜铟镓硒两种材料的性能突破和结构优化。首先要解决的问题是透明的钙钛矿太阳能电池的制备。为了实现更高的效率,传统的钙钛矿太阳能电池为了尽可能多地吸收太阳光,器件并不透明。为了实现透明结构,瑞士洛桑联邦理工大学罗景山博士等选用了碳纳米管组成的网络结构作为对电极,为了提高器件的填充因子,他们进一步在上面沉积了网状金电极。这样兼顾了钙钛矿太阳能电池的效率输出和透明度。其次,由于铜铟镓硒在光解水的电解液里不稳定,因此需要对表面进行保护。这里他们选取了具有良好的稳定性的TiO2作为保护层,并通过使用原子层沉积技术精确控制了TiO2 保护层的厚度。为了进一步提高铜铟镓硒的表面电荷转移产氢效率,他们在电极上面沉积了铂金析氢催化剂,实现了34 mA cm-2的光电流和0.6伏的光电压,稳定性可持续数小时,这一结果是所报道过的所有光阴极中最好效率之一。为了进一步降低器件的成本,他们选取了硫化钼作为铂金的替代品,也取得了不错的结果。

     有了透明高效的钙钛矿太阳能电池和高效稳定的铜铟镓硒光阴极,他们把两者串联起来并与一个析氧暗电极连接,做成了一个完整的全解水器件。 通过使用CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3作为上层吸收层,分别实现了2.6%和6.3%的全解水效率。通过理论分析,如果经过进一步优化,采用混合吸收层,这一双吸收层光器件可以实现20%以上的全解水输出效率。该项工作为其他类似器件的设计提供了思路和优化方向。相关结果发表在Advanced Energy Materials 上(DOI: 10.1002/aenm.201501520)。

    这一工作得到了玛丽居里奖学金等项目的支持。