具有太阳光全谱吸收特性和高效电荷分离能力的三元硫化物异质纳米棒

太阳辐射能量是目前世界上资源最为丰富的清洁和可持续能源。通过半导体材料有效地将太阳光能转化为其他能量(如化学能、电能和热能)是解决能源危机的有效手段。高效利用太阳能需要半导体材料在光转换过程中可以同时吸收太阳辐射的不同光谱范围并且能有效的分离光激发电子和空穴。

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为了实现这一目标,中国科学技术大学俞书宏(http://staff.ustc.edu.cn/~yulab/)课题组与江俊课题组合作,基于胶体化学转换方法成功制备了一种独特的三元[ZnS-CdS-Cu2-xS]-ZnS-硫化物异质纳米棒,即一个ZnS纳米棒上镶嵌多个CdS-Cu2-xS复合纳米节点鞘。所制备的三元硫化物异质纳米棒可有效吸收太阳光的紫外、可见和近红外区域。Cu2-xS是p型半导体,而CdS是n型半导体,选择性复合CdS-Cu2-xS可以构筑p-n结从而导致CdS-Cu2-xS形成type-II异质结构类型。这一结果使得三元体系中电荷载流子分别从ZnS、Cu2-xS的导带流向CdS的导带位置,而空穴会集中在Cu2-xS的价带,实现了电子和空穴的空间分离。这种拓展的太阳能吸收范围以及有效的电荷分离促使这一硫化物异质纳米材料在太阳能转换应用中实现了其性能的大幅提升。研究人员通过选择集成具有不同带隙结构的p型和n型硫化物以构筑异质纳米材料,能够实现太阳光的近全谱吸收且可有效的分离光激发载流子。这种无贵金属参与的半导体复合结构为传统半导体的光电应用领域提供了新的材料设计思路。该成果近期以VIP Paper发表在Angew. Chem. -Int. Ed. 2016, 55(22), 6396-6400上,并被选为前封面论文。