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（E_g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E_g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E_g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 E_g：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/E_g）的函数。（蓝色实线，线性拟合hv/E_g为1.6至2.5和2.8至3.6）。阈值光子能量（(hv_th/ E_g）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2E_g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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