第一作者：郑乾，王俊峰
通讯作者：黄菲，陈青，田建军
通讯单位：北京科技大学，哈尔滨工业大学
论文DOI：10.1021/acsenergylett.4c00508
环境友好型InP/ZnSe核壳结构量子点具有高吸光系数和可调带隙，在光电催化分解水应用领域具有巨大的发展潜力。然而，由于其I型能带排列导致的紧密结合的激子特性降低了电荷分离效率，限制了其光电催化应用。为此，我们在InP/ZnSe核壳量子点的ZnSe壳层中设计了异价In3+梯度掺杂，构建了InP/ZnSe-G-In量子点。In3+掺杂提高了ZnSe壳层的费米能级，通过梯度成分掺杂可以构建连续的半导体同质结和能带弯曲，并形成内建电场加速载流子分离。基于这种量子点的光电化学电池具有8.7 mA/cm2的高光电流密度和较高的稳定性，也是目前基于InP量子点的光电电池的最佳性能之一。本研究为提高I型能带结构量子点的光电催化性能提供了一种有效策略。
光电催化分解水制氢技术以其巨大的应用潜力，被广泛视为一种前景光明的未来工业能源获取方式。InP量子点具有环保的化学成分和高吸光系数，在光电催化分解水制氢中具有较大的应用前景。然而，它们的PEC性能受限于载流子分离和迁移驱动力不足，其中一个原因是InP量子点表面存在大量缺陷态导致载流子复合。针对这一问题，表面配体修饰和构建核壳结构被认为是有效的解决方法。但是具有Ⅰ型能带排列的核壳结构量子点载流子分离和输运能力差。因此，提高I型核壳结构的激子分离和输运能力对提高光电催化性能具有重要意义。
通过在InP/ZnSe量子点壳层中掺杂Cu+等异价阳离子可以引入捕获空穴的浅能级缺陷，延长载流子寿命，促进载流子分离。然而，电荷分离和输运的效率仍然受到驱动力不足的限制。通过在半导体材料中梯度掺杂异价阳离子可以构建连续的同质结，既能保持原有的晶体结构，又能同时形成内建电场，加速载流子的分离。本文开发了一种壳层内原位梯度掺杂异价阳离子的策略，成功合成了InP/ZnSe-G-In量子点，基于该量子点的光电化学电池在一个标准太阳光照射下获得了8.7 mA/cm2的饱和光电流密度。
图一 InP/ZnSe量子点壳层中In3+梯度掺杂示意图及电荷传输机理图，InP/ZnSe-G-In量子点的高分辨扫描透射电镜观察及元素分析
图二 InP/ZnSe-G、InP/ZnSe-G-In、InP/ZnSe-In (5%)和InP/ZnSe-In (10%)量子点的结构及化学组成分析
图三 InP/ZnSe、InP/ZnSe-G-In、InP/ZnSe-In (5%)和InP/ZnSe-In (10%)量子点的光物理性质分析
图四 InP/ZnSe-G量子点电子结构的密度泛函理论计算结果
图五 基于InP/ZnSe、InP/ZnSe-G-In、InP/ZnSe-In (5%)和InP/ZnSe-In (10%)量子点的光电化学电池性能分析
我们成功地在InP/ZnSe核壳结构量子点的ZnSe壳层中实现了In3+梯度掺杂。In3+掺杂提高了ZnSe壳层的费米能级，在ZnSe壳层形成了连续的同质结，构建了连续的内建电场，有效增强了载流子的分离能力。基于InP/ZnSe-G-In量子点的PEC电池具有8.7 mA/cm2的饱和光电流密度，与InP/ZnSe相比，提高了3.1倍，这也是目前基于InP量子点光电化学电池的最高饱和光电流密度。此外，In3+梯度掺杂有效提高了器件的工作稳定性。这项工作为提高I型核壳结构量子点的载流子分离效率提供了一种新方法。
Constructing InP/ZnSe quantum dots with shell gradient In3+ doping for photoelectrochemical cells
Qian Zheng, Junfeng Wang, Fei Huang, Zheng Huang, Shuyu Tian, Qing Chen, Yi Pei, Kaibo Zheng, Jianjun Tian
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00508
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