当阳光充裕时，太阳能电池是极好的替代能源。为了在其他时段展现太阳能的优点，需要一些能量储存手段，并且普遍的选择是将水分解成氢和氧-“储氢”。位于堪培拉的澳大利亚国立大学的研究人员日前制造出一种反蛋白石结构，将其均匀涂覆在CdS上，作为分离水的光电阳极，其表现优于众多已报道的CdS的器件。
光转换效率的异质结构
类似水的普遍化合物是开发替代能源储存的有吸引力的资源，但是将水分解成氢气则需要半导体，利用其载荷子来提供氢气和氧气的还原和氧化反应所需的能量，因此具有低光转换效率和高腐蚀倾向的硫化镉是非常急需的候选之一。尽管有报道成功地用TiO2和ZnO纳米结构的异质结构配置中的助催化剂来防止腐蚀，但这些异质结构在高纵横比形式下依然很难控制厚度和均匀性。
这项研究报告的首要作者Siva Karuturi解释说：“使用半导体材料从水中光电化学产生氢，涉及了电子空穴对产生，电荷分离，转移和表面化学反应等各种重要步骤。这些过程对譬如纳米结构表面的分布性等半导体薄膜特性极其敏感，因此实现均匀性控制对改善整体光电化学性能起着重要作用。”
由Chennupati Jagadish领导的Karuturi与同事通过结合原子层沉积（ALD）和溶液离子转移（SIT）在CdS上涂覆TiO2反向蛋白石，实现了这种均匀性操作。Karuturi讲到：“据我们了解，这是来自SIT方法的第一份CdS报告，尽管之前已经报道过各种化学和物理合成CdS的方法，包括SILAR法。大多数报道的方法不能在高纵横比的纳米结构中实现均匀分布的共形CdS涂层，SIT方法解决了这个长期存在的问题，并且可以扩展到更多半导体。”
所得到的结构实现了高达9.1 mA cm-2的饱和光电流密度，这是有史以来报道的CdS光电极的最高光谱密度，并为无辅助太阳能氢气的生成铺平了道路。
SIT法的ALD确切优势
研究人员通过使用ALD涂覆聚苯乙烯微球来创建TiO2的反蛋白石结构，该过程将结构暴露于所需的化学物质组成元素中，一次形成单原子层的涂层。该工艺对于制造厚度均匀且高质量的涂层非常有效。随后的热处理除去了具有良好催化作用的TiO2反蛋白石结构的微球。
Karuturi解释：“反蛋白石是一种三维相互连接的纳米结构，提供高界面表面，这对高效催化反应和直接电荷传输路径至关重要。此外其特征尺寸与入射光波长相当，为定制光-物质相互作用提供了机会。”
尽管在高纵横比表面上使用ALD工艺直接沉积CdS可以作为实现均匀CdS涂层的一种选择，但ALD金属硫化物处理过程复杂且需要处理气态有毒物质。相反的，研究人员在阴离子和阳离子交换SIT步骤之前，使用相同的ALD工艺在10nm的ZnO上涂覆TiO2反蛋白石结构，然后将ZnO膜首先转化成ZnS，最终转化成CdS。
再加入1.5nm的非晶态TiO2有助于进一步抑制载流子复合，进一步提高光转换效率。研究者将0.1V下RHE的饱和光电流密度（〜9.0mA cm-2）和氢气产生速率（141.3μmolcm-2 h-1）归因于改进后的界面电荷转移和高量子效率。此外还报告了0V下RHE的光电流密度为6.6 mA cm-2，这表明该结构可用于无辅助太阳能氢气生成。
下一步工作
先前的工作尝试使用双电极电池结构—电极分别用于氧化和还原反应，或者单独的光伏采光和电解水分离系统的组合来进行水分解。用基于CdS系统改进的光转换效率证明了单带隙半导体的电解池作为更简单和更具成本效益的替代方案的实际潜力。
研究人员正在努力提高CdS非牺牲性电解质的稳定性，以及将SIT制造方法扩展到其他半导体系统的可能性。
文章来自nanotechweb网站
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