Advanced Energy Materials:精确调控TiO2保护膜实现GaAs光电极高效稳定解水

随着全球经济的不断发展,人口不断增加,日益增加的燃料和化学品消耗与有限的资源之间的明显不协调迫使人类开始寻求新的能源形式来维持社会的可持续性发展。在众多可持续应用开发技术中,基于太阳能转换技术的光电化学(PEC)解水制氢逐渐受到瞩目。PEC制氢将太阳能转化为化学能以氢气的形式存储,被誉为人工光合作用。近几十年来,开发太阳能生产化学品和燃料的PEC电池的发展始终面临着能源转换效率低和电池寿命短的挑战。III-V 族半导体被认为是PEC电池领域非常具有潜力的材料。其中GaAs高达9200 cm2 V-1 S-1的电子迁移率和高达400 cm2 V-1 S-1的空穴迁移率以及1.4 eV完美的禁带宽度使得其在高效光电化学能源转换领域具备极大地应用潜能。然而GaAs在光电化学体系中的稳定性问题依旧是困扰科学家的一大难题。根据GaAs材料的波拜图,GaAs在电解液中的稳定窗口极窄,致使其在电解液中极易被腐蚀,最终导致光电化学电池寿命大幅下降。这极大程度上限制了GaAs在光电化学领域的应用前景。

针对这一问题,近期北京科技大学张跃院士、闫小琴教授与威斯康星麦迪逊分校Xudong Wang教授课题组合作,对GaAs光电阴极在中性溶液中的稳定性进行了深入研究。

与简单的将内部电极材料与电解液分离不同,该工作在保证保护膜保护电极材料基础功能的前提下,通过精确的调控保护膜的结晶度和厚度实现了保护膜电荷输运与耐腐蚀性之间的平衡。该工作使用原子层沉积(ALD)工艺精确控制制备温度,获得了在非晶膜中均匀分散有小结晶颗粒的TiO2薄膜,TiO2结晶度介于非晶和完全结晶的TiO2之间。实验结果表明,均匀分散在薄膜中的小结晶颗粒有利于TiO2薄膜维持在电解质中长时间电化学作用后自身的完整性和GaAs电极的稳定性,同时一定程度上保留了保护层薄膜的电输运性能。此外,作者通过引入表面抗反射结构降低了GaAs表面光反射,进一步提升了GaAs光电阴极光转氢效率。最终,基于对保护膜结晶度和厚度的设计,及表面抗反射层的构建,所获得的GaAs基光电阴极在中性pH电解液中-0.8 V Vs Ag / AgCl偏压下实现了-5.08 mA cm-2的光电流性能,并具有长达60小时的出色稳定性。

这一发现有望促进III–V化合物在光电化学领域的应用。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201902985)上。