Bias-Free Solar-to-Hydrogen Conversion in a BiVO4/PM6:Y6 Compact Tandem with Optically Balanced Light Absorption  

基于光吸收平衡的BiVO4/PM6:Y6緊湊型串聯(lián)器件的無(wú)偏壓太陽(yáng)能-氫能轉(zhuǎn)換  

來(lái)源：Energy Environ. Mater. 2024, 7, e12679

《能源與環(huán)境材料》  

 

摘要內(nèi)容：  

該研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種緊湊型串聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)合高透明度的BiVO?光陽(yáng)極和帶隙為1.3 eV的PM6:Y6有機(jī)太陽(yáng)能電池（OPV）。通過(guò)引入光子多層結(jié)構(gòu)（TiO?/SiO?交替）優(yōu)化光吸收分布，使BiVO?在短波長(zhǎng)區(qū)域的光吸收顯著增強(qiáng)，同時(shí)減少OPV在紫外區(qū)的無(wú)效吸收。這種設(shè)計(jì)使無(wú)偏壓太陽(yáng)能-氫能（STH）轉(zhuǎn)換效率提升25%，達(dá)到1.93%，為緊湊型串聯(lián)光電器件逼近理論極限效率（~20%）提供了新路徑。  

 

研究目的：  

解決單一半導(dǎo)體光電解水系統(tǒng)的瓶頸（高電壓需求、復(fù)雜反應(yīng)動(dòng)力學(xué)），通過(guò)緊湊串聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光吸收平衡，最大化太陽(yáng)能-氫能轉(zhuǎn)換效率。  

 

研究思路：  

理論設(shè)計(jì)：采用逆設(shè)計(jì)優(yōu)化方法（遺傳算法），結(jié)合傳輸矩陣?yán)碚摵投O管模型，優(yōu)化多層結(jié)構(gòu)（ML）的層數(shù)、材料（TiO?/SiO?）和厚度，以最大化無(wú)偏壓電流密度（圖1c）。  

 

 

材料制備：  

 

制備高透明、低光散射的BiVO?薄膜（厚度~600 nm，透光率>60% @500 nm，圖2）。  

 

 

構(gòu)建PM6:Y6 OPV電池（帶隙1.3 eV），搭配Ag電極和ML結(jié)構(gòu)（0-8層）。  

器件集成：將BiVO?光陽(yáng)極與ML-OPV(Ag)串聯(lián)，表面沉積FeOOH/NiOOH催化劑提升析氧反應(yīng)活性（圖5a）。  

 

 

性能測(cè)試：在雙電極電解槽中測(cè)量無(wú)偏壓下的光電流和氫氣產(chǎn)量。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

光吸收分布（圖3a, 圖4a-c）：  

 

 

測(cè)量ML結(jié)構(gòu)的反射率（波長(zhǎng)300-800 nm）及光陽(yáng)極/OPV的外量子效率（EQE）。  

 

意義：驗(yàn)證ML選擇性增強(qiáng)BiVO?在400-500 nm的吸收（EQE提升），同時(shí)抑制OPV在紫外區(qū)的無(wú)效吸收，實(shí)現(xiàn)光譜分配優(yōu)化。  

光電流密度（圖4d, 表1）：  

 

測(cè)量不同ML層數(shù)下光陽(yáng)極在1.23 V下的電流密度（Jsc）。  

 

意義：ML8結(jié)構(gòu)使Jsc提升19%（對(duì)比ITO-OPV），證明ML對(duì)光捕獲的增強(qiáng)作用。  

無(wú)偏壓制氫性能（圖5b,d）：  

 

串聯(lián)器件的J-V曲線及氫氣產(chǎn)率（μmol·cm?2·h?1）。  

 

意義：ML8-OPV(Ag)使無(wú)偏壓電流密度達(dá)1.57 mA·cm?2，氫氣產(chǎn)率提升25%（9.9 vs. 7.8），STH效率達(dá)1.93%。  

穩(wěn)定性：  

 

12小時(shí)連續(xù)光照下的電流衰減及器件性能恢復(fù)測(cè)試。  

 

意義：OPV穩(wěn)定性是主要瓶頸，但ML結(jié)構(gòu)不影響器件長(zhǎng)期運(yùn)行。  

 

結(jié)論：  

首次實(shí)現(xiàn)BiVO?（~1.9 eV）與PM6:Y6 OPV（~1.3 eV）的能帶組合，逼近串聯(lián)PEC的理論效率極限。  

 

光子多層結(jié)構(gòu)（ML）使光吸收按波長(zhǎng)優(yōu)化分配，BiVO?光電流提升19%，串聯(lián)器件無(wú)偏壓制氫效率達(dá)1.93%（提升25%）。  

 

未來(lái)需優(yōu)化BiVO?的載流子遷移率及OPV穩(wěn)定性，通過(guò)納米結(jié)構(gòu)光子設(shè)計(jì)進(jìn)一步逼近20%的STH理論極限。

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義：  

直接量化氫氣產(chǎn)量：通過(guò)微傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)密閉反應(yīng)室中的H?濃度（圖5d），提供產(chǎn)氫速率的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)（9.9 μmol·cm?2·h?1）。  

驗(yàn)證法拉第效率：結(jié)合公式（1）計(jì)算得出FE≈100%（圖5d散點(diǎn)），表明電子幾乎全部用于產(chǎn)氫，無(wú)顯著副反應(yīng)或電荷損失。  

 

支撐STH效率計(jì)算：為公式（2）提供關(guān)鍵輸入數(shù)據(jù)（J_bias-free和FE），確認(rèn)1.93%的STH效率可靠性。  

 

排除系統(tǒng)誤差：初期測(cè)量誤差較大（小體積氫氣讀數(shù)精度限制），但長(zhǎng)期數(shù)據(jù)一致性高，證明串聯(lián)設(shè)計(jì)可穩(wěn)定產(chǎn)氫。