电子科技大学李严波教授课题组NC: 先进的界面修饰工程构筑高性能“三明治结构”Ta3N5薄膜光阳极用于PEC水分解产氧- 大数跨境

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电子科技大学李严波教授课题组NC: 先进的界面修饰工程构筑高性能“三明治结构”Ta3N5薄膜光阳极用于PEC水分解产氧

科学材料站

2022-02-10

导读：本文利用电子束蒸发和原子层沉积法相结合并使用“一步高温氮化法”，制备得到了“三明治结构”的In:GaN/Ta3N5/Mg:GaN薄膜光阳极。

文章信息

具有界面修饰的Ta₃N₅薄膜光电阳极用于高效的光电化学水分解

第一作者：付杰

通讯作者：李严波*

单位：电子科技大学，基础与前沿研究院

研究背景

Ta₃N₅以其较宽的光吸收范围，合适的能带位置等优点，在人工光合成(Artificial Photosynthesis)光电催化制氢领域具良好的应用前景。但其实际转换效率远低于其理论最高效率 (15.9%)，且稳定性仍存在巨大的挑战。而先进的界面修饰工程(Interface engineering)被证明不仅可以提高其光电转换效率，还可以大幅提高器件的稳定性。

因此，本文对Ta₃N₅薄膜光阳极的Ta₃N₅/电解液界面和Ta₃N₅/背电极界面同时进行界面修饰，以求可以大幅提高光电转换效率的同时，实现较长时间的稳定光电催化。

文章简介

基于此，来自电子科技大学的李严波教授，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Interface engineering of Ta₃N₅ thin film photoanode for highly efficient photoelectrochemical water splitting”的文章。利用电子束蒸发和原子层沉积法相结合并使用“一步高温氮化法”，制备得到了“三明治结构”的In:GaN/Ta₃N₅/Mg:GaN薄膜光阳极。

图1. In:GaN/Ta₃N₅/Mg:GaN薄膜光阳极的制备流程示意图

本文要点

要点一：对Ta₃N₅薄膜光阳极的Ta₃N₅/电解液界面和Ta₃N₅/背电极界面同时进行界面修饰

常见的半导体薄膜光阳极的界面修饰通常只针对半导体/电解液界面，以优化其表面光生载流子向电解液中的注入效率。但实际上，半导体/背电极界面附近的缺陷浓度和光生电子的传输效率，对于提升器件催化性能也起着至关重要的作用。

借鉴于钙钛矿太阳能电池常见的“p-i-n”结构模型，通过将电子束蒸发和原子层沉积法相结合，具有双界面修饰的“三明治结构”的In:GaN/Ta₃N₅/Mg:GaN薄膜被制备出来并利用于PEC光电催化水分解。

要点二：具有能带结构调控的界面修饰和载流子传输策略

通过“一步高温氮化法”制备得到的In:GaN/Ta₃N₅/Mg:GaN薄膜，各层结构形貌明显且具有良好的接触，这有利于实现电荷的快速传输。通过PL和UPS数据表明，Mg:GaN层可以通过其价带传输实现光生空穴的快速注入；而In:GaN层由于In元素的引入形成了中间带隙(mid-gap band)，并通过缺陷能级传输实现了对光生电子的快速传输。此外，Mg:GaN和In:GaN层还可以形成表面钝化作用，从而降低了Ta₃N₅薄膜中的缺陷浓度。

图2. In:GaN和Mg:GaN层的界面修饰机理及其能带位置示意图

要点三：明确In:GaN和Mg:GaN层在In:GaN/Ta₃N₅/Mg:GaN光阳极中的作用

通过电化学表征，作者发现In:GaN层主要提高了In:GaN/Ta₃N₅/Mg:GaN薄膜体相内的载流子分离效率；而Mg:GaN层主要提高了半导体/电解液界面的载流子注入效率。电化学阻抗谱显示，In:GaN/Ta₃N₅/Mg:GaN光阳极具有高效的载流子分离效率和极低的异质结电阻，这些数据均有利于提高PEC器件的催化性能。此外，这种高效的界面修饰方法明显减少了由于表面态缺陷引起的费米能级钉扎(Fermi level pinning)作用,从而有效降低了光阳极器件的起始电位。

图3. In:GaN和Mg:GaN层在In:GaN/Ta3N5/Mg:GaN薄膜中的作用

要点四：催化性能的优化

最终，将这种有效的界面修饰工程与高效的NiCoFe-Bi产氧助催化剂相结合，In:GaN/Ta₃N₅/Mg:GaN薄膜光阳极实现了最高3.46%的光电转换效率，这是目前Ta3N5基光阳极的最高报道效率。

此外，该器件的稳定性也得到了大幅的提升。其优异的光电催化性能表明，先进的表面修饰工程可以进一步推进人工光合成光电催化制氢领域的发展。

图4. In:GaN/Ta₃N₅/Mg:GaN薄膜光阳极的PEC催化性能

文章链接

Interface engineering of Ta3N5 thin film photoanode for highly efficient photoelectrochemical water splitting

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28415-4

通讯作者简介

李严波，电子科技大学基础与前沿研究院教授，博士后导师，国家青年人才。2005和2007年分获上海交通大学物理学学士和硕士学位。2010年获东京大学产业机械工学博士学位，其间获“日本文部省奖学金”、中国“国家优秀自费留学生奖学金”、东京大学工学部“研究科长赏”等。2010-2014获日本学术振兴机构（JSPS）资助在东京大学从事博士后研究工作。2014-2016于美国劳伦斯-伯克利国家实验室人工光合成联合研究中心（JCAP）从事博士后研究工作。2016年回国加入电子科技大学，开展光电催化水分解及相关的研究工作。近年来，以第一/通讯作者在Nature Catalysis、Nature Communications（4篇）、Advanced Materials、Energy & Environmental Sciences、Nano Letters（2篇）、ACS Catalysis（2篇）、ACS Energy Letters等学术期刊上发表论文；主持国家自然科学基金（面上）、四川省科技厅应用基础研究（面上）等项目；担任SCI期刊Nanoscale Research Letters及电子科技学刊（JEST）副主编。

第一作者介绍

付杰，电子科技大学基础与前沿研究院2017级博士研究生，目前主要研究内容为氮化钽薄膜光阳极的制备及其光电催化性能的研究。现已在Nature Communications、Nature Catalysis、ACS Catalysis、Chemistry of Materials、ACS Applied Energy Materials等期刊上以第一作者或合作作者发表论文7篇。

课题组简介

https://www.x-mol.com/groups/li_yanbo?lang=zh