潘锋教授， AFM：利用空间分离多功能层实现高性能硅光电阴极水分解制氢- 大数跨境

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潘锋教授， AFM：利用空间分离多功能层实现高性能硅光电阴极水分解制氢

科学材料站

2021-10-12

导读：该文章利用工业化的方法在包覆SiNx的商用p-n+结单晶硅上通过丝网印刷商用银浆并热处理制备规则排列的银点（直径约为100微米）

文章信息

利用空间分离多功能层实现高性能硅光电阴极水分解制氢

第一作者：梅宗维

通讯作者：潘锋*

单位：北京大学深圳研究生院，电子科技大学长三角研究院（湖州）

研究背景

光电催化水分解是把间歇性太阳能转化为绿色可再生及可存储氢燃料的潜在手段。半导体硅具有出色的光电转换效率及规模化生产带来的低成本可能性，使其作为水分解光电极得到了大量的研究。

无保护层硅光电极的水分解稳定性较差，但目前保护层往往降低硅的光吸收性能或降低光生载流子的迁移能力。解决这个问题的方法可采取光吸收部位和催化反应部位在空间上分离开来。

文章简介

基于此，来自北京大学深圳研究生院的潘锋教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“High-Performance Si Photocathode Enabled by Spatial Decoupling Multifunctional Layers for Water Splitting”的研究文章。

该文章利用工业化的方法在包覆SiNx的商用p-n+结单晶硅上通过丝网印刷商用银浆并热处理制备规则排列的银点（直径约为100微米），然后通过在银点上电沉积Pt纳米颗粒制备硅光电阴极。

该硅光电极在0.5 M H2SO4电解液中具有较高的能量转换效率和稳定性。同时，我们对比了相同条件下制备的硅太阳电池所驱动的光伏-电催化水分解性能，发现硅光电极具有更好的性能。

图1. Pt/Ag/Si光电阴极的制备及工作原理示意图。

文章要点

要点一：Pt/Ag/Si光电阴极的制备及工作原理

如图1A所示，我们用丝网印刷的方法在包覆有SiNx的商用p-n+结单晶硅上印刷不同点间距的商用银浆（包含Ag颗粒, PbO, Bi2O3, TeO2, B2O3, SiO2等成分）。如图1B所示，在热处理过程中银浆中流动性较差的Ag颗粒在Si表面聚集形成银点。同时银点下方的SiNx在热处理过程中主要被银浆中的PbO刻蚀而生成Pb和SiO2。

我们需要指出的是在热处理过程中部分Ag以Ag2O的形式溶解在玻璃态物质中，其可与刻蚀SiNx生成的Pb进一步反应生成Ag纳米颗粒和PbO。刻蚀SiNx后的产物和银浆中其它无机成分在与Si接触面上形成流动性较好的熔融玻璃态物质。降温后在银点与Si之间生成具有Ag纳米颗粒分布的玻璃层。

接下来我们通过电沉积的方式在银点上生长Pt纳米颗粒。至此，硅光电极的制备完成（图1C）。此硅光电极的工作原理如图1D所示，光透过SiNx层入射到p-n+结半导体Si上产生分离的光生电子-空穴对。光生电子遂穿过玻璃层转移到导电银颗粒上后进一步迁移到Pt催化剂上还原质子生成氢气，光生空穴迁移到对电极氧化氢氧根而生成氧气。

我们可以看出，SiNx作为光透过层、半导体Si表面钝化层以及保护层，而玻璃层作为光生电子遂穿层和半导体Si保护层。

要点二：Pt/Ag/Si光电阴极的光电水分解性能

图2. 不同银点间距Pt/Ag/Si光电阴极和光伏-电催化水分解性能。（A）Pt/Ag/Si光电阴极和（B）光伏-电催化水分解示意图。（C）在1个标准模拟太阳光照射下不同银点间距Pt/Ag/Si光电阴极的电流密度-电压曲线。（D）不同银点间距Pt/Ag/Si光电阴极的ABPE。（E）银点距离为0.75毫米的Pt/Ag/Si光电阴极、光伏-电催化水分解及银线上电沉积铂电催化水分解的电流密度-电压曲线。（F）光伏-电催化水分解的ABPE。

我们在0.5 M H2SO4电解液中和1个标准模拟太阳光照射下测试了不同银点距离Pt/Ag/Si光电阴极的水分解性能，商用铂网作为对电极。

作为对比，我们也在相同条件下测试了光伏-电催化水分解性能。测试示意图如图2A和B所示。随着银点距离的增加，Pt/Ag/Si光电阴极的饱和光电流也逐渐增加。而在低偏压条件下，银点间距为0.75毫米的Pt/Ag/Si光电阴极的电流密度最大（图2C）。

我们从图2D可以看出，当银点间距为0.75毫米时，光电阴极的ABPE达到最大值9.7%；而当银点间距大于0.75毫米时，ABPE值随着间距增大而减小。如图2E所示，在硅太阳电池片银线上电沉积铂的电催化水分解电流密度达到1毫安每平方厘米时的外加电压为-0.09 V，而0.75毫米银点距离的Pt/Ag/Si光电阴极和光伏-电催化体系达到1毫安每平方厘米电流密度时的外加电压分别为0.52 V和0.50 V。

故0.75毫米银点距离的Pt/Ag/Si光电阴极和光伏-电催化体系的光电压分别为0.61 V和0.59 V。光伏-电催化体系的ABPE值为8.2%，低于0.75毫米银点距离的Pt/Ag/Si光电阴极。

要点三：光电极性能优化的机理

表 1.不同银点距离的银在光电极上的表面积覆盖比例

根据计算，不同银点距离光电阴极上被银点覆盖的面积比例如表1所示。随着银点间距的增加，银点在光电极上的面积覆盖率逐渐降低，从而有利于半导体硅对光的吸收。

但随着银点距离的增加，光电极对光生电子的收集能力必然降低。故当银点距离为0.75毫米时，该光电极对光吸收和光生电子的收集处于最优化的条件，从而使其性能达到最优。

要点四：前瞻

本文首次采用工业化的方法制备了光吸收和电子传输及催化反应功能层空间分离的硅光电阴极。通过调节印刷银点的距离来优化Pt/Ag/Si光电阴极的光电水分解性能。未来可调节银点直径和间距，从而进一步优化该光电极的性能。另外，优化Pt在银点上的制备方法并提高Pt在银点上的附着强度有望大大提高该光电极的稳定性。

文章链接

High-Performance Si Photocathode Enabled by Spatial Decoupling Multifunctional Layers for Water Splitting

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107164

通讯作者简介

潘锋教授（博导）. 北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长。

1985年获北大化学系学士，1988年获中科院福建物构所硕士（师从梁敬魁先生），1994年获英国Strathclyde大学博士（获最佳博士论文奖），1994-1996年瑞士ETH博士后。目前聚焦“新材料基因科学与工程”的研究以及“清洁能源及关键材料研发”，包括新型太阳能电池、热电发电、储能和动力电池及关键材料的跨学科的基础研究和应用，具有十多年在国际大公司从原创基础研究到创新产品产业化的经历。作为项目的首席科学家和技术总负责完成了国家重大专项-新能源汽车动力电池创新工程项目，并承担了国家材料基因组平台重点专项（“基于材料基因组的全固态锂电池及关键材料研发”）。在SCI收录期刊发表了近250多篇论文，包括Nature Energy、Nature Nanotechnology、Science Advances等。

第一作者简介

梅宗维博士.

2013年于日本北海道大学获理学博士学位，随后在北京大学深圳研究生院从事博士后研究工作。博后出站后留校任职，现就职于电子科技大学长三角研究院（湖州）。主要从事光/电催化水分解、光或电催化固氮、燃料电池关键催化材料及器件研究。在Angew. Chem. Int. Ed., Nano Energy, Advanced Functional Materials, Research, ACS Nano, Journal of Energy Chemistry等期刊上发表论文20余篇。