Nature Energy: 多激发子用于光电化学析氢反应,量子产率超过100%


【引言】

用于能源储存,燃料和原料的太阳能到化学能源转换,特别是解决温室气体排放,是太阳能发电领域科学家的主要目标之一。高效的太阳能转换效率是技术可行性的关键,因为这直接影响到被覆盖的土地面积,最终会影响系统的成本。限制太阳能转换系统转换效率的主要因素是具有大于半导体带隙(Eg)能量的光子产生了通过电子π声子散射弛豫的热载流子,随后的声子耗散降低了能量转换效率。

【成果简介】

量子点(QDs)中的多重激子产生(MEG)有可能大大提高太阳能电池和太阳能燃料生产中的功率转换效率。在MEG过程中,从一个高能光子的吸收产生两个电子-空穴对(激子),通过发射声子绕过热载流子冷却。在2017年4月4日Nature Energy上的一篇题为“Multiple exciton generation for photoelectrochemical hydrogen evolution reactions with quantum yields exceeding 100%的文章中,美国国家可再生能源实验室科学与纳米科学中心Matthew C. Beard课题组提出,通过MEG生产的额外的载流子可用于驱动100%以上的量子效率的化学反应。研究人员开发了一种硫化铅(PbS)QD光电化学电池,能够从外部量子效率超过100%的Na2S溶液中驱动析氢。当入射光子能量大于带隙能量的2.7倍时,测量的所有QD光电极都显示出MEG。该研究结果表明了探索太阳能燃料高效率方法的新方向。

【图文导读】

图一: MEG PEC电池结构

a,PEC装置示意图。QD层构成光电阳极的有源区。右边是光生空穴氧化硫化物,而电子在Pt阴极上还原氢。盐桥连接两个电极并运输H+和Na+

b,相对于正常氢电极,NHE(V),QD光电极的能级(Eg为QD带隙)。电子使QD层通过TiO 2具有足够的化学势来将H+还原成H2,而空穴可以氧化硫化物。

c,d,QD层厚度为(c)265nm和(d)370nm的典型PbS QD光电极的扫描电子显微照片。两个图像的比例尺相同。

e,对于在单个量子点内吸收的高能量光子,MEG产生可以参与氧化和还原反应的两个或多个电子-空穴对。在QD表面使用化学反应可以将额外的载体直接储存在化学键上。

图二:PEC性能表征

a,在Na2S含水电解质中,PbS QD光电极产氢有带隙Eg为0 .85eV(红色圆圈),0.92eV(绿色正方形)和1.08eV(黑色三角形)的EQE(填充符号)。以及对380-500nm范围内的IPCE(开放符号)进行比较。

b,PbS QD光电极的典型稳态斩光电流测量(尺度为5 μAcm-2)。

c,符号表示PbS QD光电极在带隙Eg为0.85eV(红色圆圈),0.92eV(绿色方块)和1.08eV(黑色三角形)的IPCE。 虚线是溶液中QD的吸收光谱。

图三:前后照明的IPCE

前面(实心圆)和背面(空心圆)照明和QD层的两个厚度(蓝色= 265nm和红色= 370nm)的IPCE(QD Eg:0.85eV)的比较。(插图:光照路径的演示)

图四:吸收光子到电流的效率测量

a,APCE作为照明光子能量(eV)的函数。

b,APCE作为入射光能除以QD带隙能量或带隙的倍数(hv/Eg)的函数。(蓝色实线,线性拟合hv/Eg为1.6至2.5和2.8至3.6)。阈值光子能量((hvth/ Eg)约为2.7。

 【总结】

在该研究结果表明,在燃料形成反应中可以捕获多重激子产生的电子。对于未来设计和开发PEG系统来说,可以利用MEG来光分解水,以产生氢燃料,目标是超越Shockley-Queisser极限。串联或并联的两个或多个光电极能够利用MEG,这是未来研究的一个潜在领域。最后,为了发挥最大的作用,MEG起始应尽可能接近两倍的带隙。正在进行的研究显示MEG起始的更多接近2Eg极限的新异构结构QD系统。

文献链接:Multiple exciton generation for photoelectrochemical hydrogen evolution reactions with quantum yields exceeding 100%(Nature Energy, 2017,doi:10.1038/nenergy.2017.52)

本文由材料人新能源组 背逆时光 供稿,材料牛编辑整理。

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