物理系张跃钢研究组等探索高效的自驱动太阳能制氢器件

 

物理系张跃钢研究组与斯坦福大学崔屹教授研究组合作,在《Science Advances》上发表论文《钒酸铋纳米锥/钙钛矿电池串联器件驱动高效太阳能分解水》(Efficient solar driven water splitting by nanocone BiVO4-perovskite tandem cells),揭示了应用纳米锥可以解决多孔钒酸铋半导体薄膜导电性差和光吸收不足的问题,同时提出串联单一稳定的钙钛矿太阳能电池来直接驱动高效太阳能分解水制氢。

 

图为对比于平面结构(左),纳米锥结构(右)具有更好的光利用和电荷收集的优点. From Qui et al., Sci. Adv. 2:e1501764 (17 June 2016).  Distributed under a Creative Commons Attribution Non Commercial License 4.0 (CC BY-NC)

 

近年来,随着全球能源需求的持续增长,化石能源枯竭带来的能源危机渐趋临近, 气候变化和生态环境问题日益突出,因此开发利用绿色可再生能源以缓解进而从根本上解决能源匮乏和环境恶化的问题具有深远而普遍的社会意义。科学家们一直致力于人工光合作用研究,希望通过水分解,将太阳能转化成氢气和氧气。以光电化学电池来分解水制备氢气是近年来热门的研究方向,它的基本工作原理是由日本学者Fujishima和Honda在1972年提出的。然而,迄今为止,直接利用单一的光电化学电池来分解水的效率仍受限于以下几个主要问题:

1) 有些具有适合水分解所需带宽和能级的半导体材料吸光能力不足(如TiO2)。

2) 有些光吸收较好的半导体材料一般导电性较差(如BiVO4、WO3和Fe2O3)。

3) 而同时满足上述要求的半导体材料常常稳定性较差(如硫化物)。

为了解决这些问题,清华大学与斯坦福大学的合作团队开展了基于BiVO4的新型复合光催化材料的设计与研究。对于常规的平面结构来说,由于BiVO4较差的导电性,其薄膜厚度不能太大,否则太阳光照射时产生的光电子在没有到达导电电极时就会与光生空穴复合,从而导致差的光电流输出;而BiVO4薄膜厚度太小又会影响光的有效吸收,也不利于光电流的产生。清华大学的丘勇才博士在张跃钢教授和崔屹教授的共同指导下将多孔的Mo掺杂的BiVO4薄膜沉积于有导电薄膜修饰的纳米锥基板上,从而缩短了光电子的传输路径,增加了BiVO4薄膜有效厚度,既有利于光电子的有效收集、又有利于太阳光的吸收。除此之外,纳米锥结构还能提供下列优点:第一,独特的限光性质减少了对太阳光的反射。此效应的模拟计算结果基本和实验结果吻合。第二,对不同角度的入射光都有较强的吸收。所以,基于纳米锥的BiVO4电池在一天中的不同时间段都会有更好的光利用效果。

 

图为有导电薄膜修饰的纳米锥制备和BiVO4薄膜沉积工艺、及其对应的电镜照片. From Qui et al., Sci. Adv. 2:e1501764 (17 June 2016).  Distributed under a Creative Commons Attribution Non Commercial License 4.0 (CC BY-NC)

 

 图为实际测试和模拟计算的光吸收谱以及模拟的纳米锥限光效应. From Qui et al., Sci. Adv. 2:e1501764 (17 June 2016).  Distributed under a Creative Commons Attribution Non Commercial License 4.0 (CC BY-NC)

 

图为平面结构和纳米锥结构电池性能比较. From Qui et al., Sci. Adv. 2:e1501764 (17 June 2016).  Distributed under a Creative Commons Attribution Non Commercial License 4.0 (CC BY-NC)

 

图为单个钙钛矿电池直接驱动BiVO4光电化学电池分解水。 From Qui et al., Sci. Adv. 2:e1501764 (17 June 2016).  Distributed under a Creative Commons Attribution Non Commercial License 4.0 (CC BY-NC)

 

相对于平面结构,这种基于纳米锥的光电化学电池有较大的性能提升。在有外加偏压及有析氧共催化剂条件下,单一的基于纳米锥结构的BiVO4光电化学电池能达到2.05%的转化效率。

为了能使电池不需要在外加偏压下工作,该团队设计了一种钙钛矿太阳能电池——BiVO4光电化学 电池的串联系统。钙钛矿电池在吸收波长大于515纳米的太阳光后产生的光电压能直接用来驱动BiVO4光电化学电池分解水,其总转化效率达到了6.2%。随着新能源材料研究的不断进步,未来利用太阳能电池-光电化学电池的串联系统实现光到氢的能源转换效率有望得到进一步提升。论文的通讯作者为清华大学和中科院苏州纳米所双聘教授、国家“千人计划”特聘专家张跃钢教授和斯坦福大学崔屹教授。本研究得到清华大学富士康纳米研究中心范守善院士的大力支持,也得到美国能源部、中国国家自然基金委的资助。

论文链接: http://advances.sciencemag.org/content/2/6/e1501764