Advanced Energy Materials:铜掺杂调控环保型InP/ZnSe核壳量子点光学性能及其高效稳定光电化学电池应用

太阳能光电化学制氢被认为是应对全球能源危机的有效途径之一。为了提高制氢效率,合理设计和制备具有宽光谱吸收、高激子生成率,有效电荷分离/转移和长期稳定性半导体光电极显得尤为重要。近年来,基于半导体量子点敏化的光电化学电池展现出了高效稳定的太阳能驱动制氢效率,然而,目前这类光电化学系统仍存在一些重要缺点和亟待解决的关键问题,包括使用重金属元素(Pb、Cd等)量子点、光生电荷分离/转移效率低和光化学稳定性差等。因此,开发环保型核壳结构量子点光电化学电池是解决上述问题的有效策略之一,而探究量子点光学性能可控调控并进一步优化器件性能和稳定性也是广大研究者追求的目标。

基于以上问题,电子科技大学的童鑫研究员团队近期报道了一种基于Cu掺杂环保型InP/ZnSe核壳结构量子点的高效稳定光电化学电池。研究发现,在环保型InP/ZnSe核/壳量子点的ZnSe壳中一系列可控的Cu掺杂可以使 InP/ZnSe QD 的光学性能得到大幅改善,相应的量子点光电化学电池表现出高效的电荷分离/转移,这是由于ZnSe壳中Cu杂质能级可以捕获核量子点光生空穴以改善整体核壳量子点的光诱导电子转移。

得益于Cu杂质能级引入对InP/ZnSe核壳量子点的光生载流子动力学优化,通过组装量子点光电化学电池,测试不同Cu掺杂量子点光电极性能发现,最优化掺杂浓度的InP/ZnSe:Cu0.2量子点光电化学电池在1个标准太阳光辐照下,展现出高达~7.4 mA/cm2的饱和光电流密度,相对于未掺杂对照样的性能(~4.9 mA/cm2)提升了~51%,而进一步增大Cu掺杂浓度将导致器件性能下降,这是由于过多的Cu杂质能级引入会带来新的空穴散射效应,不利于光生电子空穴有效转移,这一点也被高Cu掺杂浓度下器件IPCE转换效率降低所证实。

不同掺杂浓度InP/ZnS:Cu量子点/TiO2-FTO 光电极性能研究

不同Cu掺杂浓度InP/ZnSe:Cu 量子点器件还展现出稳定的光电流输出。其中,InP/ZnSe核壳量子点光电化学电池相对于InP量子点表现出显著提高的长时间工作稳定性,在光照10小时后分别保持其初始光电流值的60%和15%。这是由于InP核量子点上生长的ZnSe壳层有利于提升量子点的光化学稳定性。而在ZnSe壳层中进行Cu掺杂后,InP/ZnSe:Cu量子点器件在光照10小时后仍保持75%的初始光电流密度,进一步提高了器件的稳定性。这归因于ZnSe壳层中Cu掺杂能级有效俘获InP的光生空穴,从而减轻了其自氧化效应并提升稳定性。此外,通过器件的EIS阻抗谱测试,进一步证实了InP/ZnSe:Cu量子点器件具有更好电荷输运特性,而器件H2产率测试证实最优化器件具有~90.8 μmol·cm-2 h-1 的H2生成速率和~78.2 %的法拉第效率。

   Cu掺杂InP/ZnS:Cu量子点光电化学电池稳定性和机理研究

论文第一作者为电子科技大学2020级博士生赵宏洋,电子科技大学童鑫研究员为论文唯一通讯作者。本课题获得了国家重点研发计划项目(2019YFE0121600,2019YFB2203400)和四川省科技计划项目(2021YFH0054)等资助。

【论文信息】

Role of Cu Doping in Heavy Metal-Free InP/ZnSe Core/Shell Quantum Dots for Highly Efficient and Stable Photoelectrochemical Cell

Hongyang Zhao, Xin Li, Mengke Cai, Cheng Liu, Yimin You, Rui Wang, Ali Imran Channa, Feng Lin, Da Huo, Guofeng Xu, Xin Tong*, Zhiming M. Wang

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101230

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101230?af=R