华南师范江丰研究员课题组AS：基于新型铜基半导体Cu3BiS3光伏薄膜的制氢电极层间界面性能调控对其太阳能制氢性能的影响研究

基于低成本无毒环保的新型三元铜基半导体Cu₃BiS₃(CBS)光伏薄膜的太阳能制氢电极层间界面的导带偏置（CBO）并不理想，而CBO 是影响CBS薄膜电极太阳能制氢性能的关键因素，急需得到研究并解决。

在本研究中，发现选择新型层间界面缓冲层In_XCd_1-XS可以显著改善层间界面，同时发现调控In元素比例可以调节CBS/缓冲层的CBO值，显著改善层间界面复合现象。最终研制得到的Cu₃BiS₃-BiVO₄无偏压太阳能全解水制氢串联电池太阳能制氢效率（STH效率）达到2.57%，并在100小时的连续测试时间内无明显衰减。

太阳能制氢；铜铋硫（Cu₃BiS₃）化合物半导体；铜基半导体光伏薄膜；能带匹配；层间界面

氢能，太阳能，光伏半导体，光电子与微电子薄膜器件

为石油提供可再生的替代能源以满足目前和未来世界的电力需求是非常紧急的。将丰富的太阳能转化为绿色可储存的氢能是一个满足可持续发展的方法。而光电化学分解水制氢是解决能源和环境问题的一种很有前途的方法。自从Honda和Fujishima在1972年观察到TiO₂的光催化效应后，许多不同结构的材料被报道用于光催化和光电催化。

其中，利用太阳能驱动半导体光电极的电子和空穴，而后进行光电化学(PEC)水分解制氢，是未来最有希望生产绿色可持续燃料的方式之一。这里需要指出的是，太阳能分解水光电电极的材料或结构的选择或设计可参考光伏器件。

此前报道的光伏结构的太阳能水分解效率记录非常成功，如CuIn_xGa_1-xSe₂(CIGS)， Cu₂ZnSnS₄(CZTS)， Cu(InGa)Se (CIS)， Si和GaAs，已经证明高效的PEC太阳能水分解光电电极应该具有光伏结构，如CIGS, CZTS或Si薄膜太阳能电池。

在此，我们开发了一种廉价，环保，无毒的三元铜基化合物光伏半导体:Cu₃BiS₃，基于Cu₃BiS₃光伏薄膜的太阳能制氢电极展现出了优异的光电制氢性能。CBS光伏薄膜电极在具有非常可观的起始电位0.9 VRHE和良好的光电流密度。这种高起始电位的CBS薄膜光电阴极在无偏压独立太阳能全解水制氢串联电极体系方面具有独特优势。

由于CBS光伏薄膜基光电极具有较高的水解制氢起始电压，我们相信这种CBS光电极将引起研究人员的广泛关注，值得在未来进行研究。然而，CBS光电极存在的许多问题还没有得到解决和研究。我们在CBS光电极中发现的问题是：CdS缓冲层能带位置不能很好地与CBS光电极层匹配。CBS与CdS层间的导带偏移超过0.7 eV，导致光激发载流子在CBS与CdS缓冲层间发生了较严重的界面复合现象。

在本研究中，我们发现In_XCd_1-XS缓冲层显著降低了CBS/缓冲层的conduction band offset (CBO)，这可以大大降低了CBS薄膜光电阴极的界面复合率。结果表明，Pt-TiO₂/In_0.6Cd_0.4S/Cu₃BiS₃光电阴极在0 VRHE下具有可观的光电流密度约12.20 mA/cm²，起始电位大于0.9 VRHE, ABPE达到了CBS电极目前最高值3.13%。

此外，该CBS光电阴极表现出很好的稳定性。研制得到的Cu₃BiS₃-BiVO₄无偏压太阳能全解水制氢串联电池在超过100小时的时间内，表现出稳定的太阳能制氢效率（STH效率）2.57%。

江丰，博士，研究员，博士生导师，2012年12月博士毕业于南京航空航天大学。2013年1月-2017年2月期间先后作为日本新能源产业技术综合开发机构NEDO研究员，日本学术振兴会 JSPS海外特别研究员在大阪大学、旭化成公司研发部等单位从事化合物半导体Cu₂ZnSnS₄薄膜太阳电池/光电子器件的研究工作，2017年 3月入职华南师范大学半导体科技学院并组建独立课题组。长期从事基于铜基化合物半导体光伏薄膜的太阳能制氢微电子/光电子器件的研究工作。

近年来以独立通讯作者/第一作者身份在 Nature Communications, Energy& Environ. Sci., JACS, Adv. Energy Mater., Adv. Sci., ACS Energy Lett., ACS Catalysis,等国外知名期刊上发表论文30余篇,申请/获授权发明专利10余项。主持国家自然科学基金面上项目、青年基金以及广东省重点国际科技合作项目等项目10余项。

吴晓敏， 广东汕头人，华南师范大学半导体科技学院2021级材料物理与化学专业硕士研究生，从事太阳能制氢半导体薄膜微电子材料与电极器件的研究。

Research on the Influence of the Interfacial Properties Between a Cu₃BiS₃ Film and an In_XCd_1-XS Buffer Layer for Photoelectrochemical Water Splitting

Xiaomin Wu, Weidong Zhao, Yucheng Hu, Guohong Xiao, Huanyang Ni, Shigeru Ikeda, Yunhau Ng, and Feng Jiang*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202204029

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