Advanced Materials、深圳大学:(Zn,Ti)O电子传输层实现无镉Sb₂Se₃光阴极在稳定太阳能制氢中的最高转换效率
题目
英文: (Zn,Ti)O Electron Transport Layer Enables the Highest Conversion Efficiency in Cd‑Free Sb₂Se₃ Photocathodes for Stable Solar Hydrogen Production
中文: (Zn,Ti)O电子传输层实现无镉Sb₂Se₃光阴极在稳定太阳能制氢中的最高转换效率
来源
期刊:Advanced Materials
年份: 2026
作者: Shuo Chen, Yong Chen, Hanhua Zhang, Muhammad Abbas, Donglou Ren, Yuexing Chen, Jingting Luo, Zhuanghao Zheng, Zhenghua Su, Guangxing Liang
单位: 深圳大学物理与光电工程学院；广西大学资源环境与材料学院
研究背景
太阳能驱动的光电化学（PEC）水分解是一种高效的太阳能-氢能转换方式。Sb₂Se₃因其低毒性、低成本、优异光电特性成为有前景的光阴极材料，但现有高效Sb₂Se₃光阴极多使用CdS电子传输层，存在毒性、寄生光吸收和界面不稳定等问题。开发无镉、高性能的电子传输层是推动Sb₂Se₃基光阴极发展的关键。
研究内容
本研究首次采用原子层沉积法制备(Zn,Ti)O作为无镉Sb₂Se₃光阴极的电子传输层。系统研究了Zn:Ti比例（如1:1和4:1）和退火温度（250°C、300°C、350°C）对器件性能的影响，优化后的Zn:Ti比例为4:1，退火温度为300°C。通过光电化学测试、光谱表征、电学分析和表面形貌观测等手段，揭示了(Zn,Ti)O层在提升载流子密度、优化能带对齐、增强界面电荷分离与传输效率以及改善器件稳定性方面的作用机制。
主要图片
图1：a: 三电极PEC测量示意图；b: W/A 1:1、W/A 4:1和W/O 4:1器件在暗态和斩波光照下的J-V曲线；c: W/A 4:1器件在pH=1、4、7电解质中的J-V曲线；d: 计算的HC-STH转换效率；e: W/A 4:1器件在不同pH下的HC-STH效率；f: 代表性W/A 4:1器件的氢气和氧气析出量-时间曲线及实物图；g: W/A 1:1、W/A 4:1和W/O 4:1器件在0 VRHE下的IPCE光谱及积分光电流密度；h: Sb₂Se₃-BiVO₄光阴极-光阳极串联电池在无外接电源下的实时产氢产氧实物图与示意图；i: 代表性光阴极（W/A 4:1）和光阳极（BiVO₄）的J-V曲线，交点代表串联电池的工作电流密度；j: 双电极系统中BiVO₄-Pt和BiVO₄-Sb₂Se₃的线性扫描伏安曲线；k: 冠军W/A 4:1光阴极和Sb₂Se₃-BiVO₄串联电池在不同pH条件下的长期光电流稳定性测试
图2：a: 器件的瞬态光电流衰减谱；b: W/A 1:1、W/A 4:1和W/O 4:1器件的吸收谱（上）与光捕获效率（下）；c: 标准AM 1.5G太阳能光谱的能量密度通量及器件的积分光电流密度；d: 奈奎斯特图；e: 对应的波特图；f: (Zn,Ti)O薄膜的莫特-肖特基曲线；g: 电荷转移过程与对应能带对齐的示意图及等效电路
图3：a: Zn 2p XPS谱；b: Ti 2p XPS谱；c: O 1s XPS谱；d: 代表性薄膜的透射光谱；e: (αhν)²对光子能量的Tauc图；f: ETL与Sb₂Se₃吸收层的Ec、Ev和Eg示意图；g: W/A 1:1的能带对齐与载流子传输/复合行为示意图；h: W/A 4:1的能带对齐与载流子传输/复合行为示意图；i: W/O 4:1的能带对齐与载流子传输/复合行为示意图
图4：a-c: W/A 1:1、W/A 4:1和W/O 4:1薄膜的截面SEM图像；d-f: 薄膜表面接触角测量结果；g-i: 对应的三维AFM图像；j-l: 电化学活性面积测量结果
图5：a,b: W/A 1:1的KPFM表面形貌与接触电势差图像；e,f: W/A 4:1的KPFM表面形貌与接触电势差图像；i,j: W/O 4:1的KPFM表面形貌与接触电势差图像；c,g,k: 晶界附近的能带结构与CPD示意图；d,h,l: W/A 1:1、W/A 4:1和W/O 4:1的表面平均CPD分布
图6：a: 器件结构与测试装置示意图；b: 1/C²-V曲线；c: C-V与DLCP曲线；d: 并联电导G特性；e: 串联电阻R与理想因子A特性；f: 反向饱和电流密度J₀特性；g-i: C-f-T谱；j-l: 缺陷激活能与缺陷密度结果
主要结论
优化后的(Zn,Ti)O ETL（Zn:Ti = 4:1，300°C退火）显著提升了载流子密度，形成了“尖峰状”能带对齐，有效抑制了载流子复合。
冠军器件在0 VRHE下实现了31.1 mA/cm²的光电流密度，半电池太阳能-氢转换效率达5.27%，为无镉Sb₂Se₃光阴极的最高纪录。
在Sb₂Se₃-BiVO₄串联电池中，实现了2.50%的无偏置太阳能-氢转换效率。
(Zn,Ti)O ETL具有优异的耐腐蚀性，在酸性和中性溶液中均保持稳定。
该研究为开发高效、环保的PEC光电电极提供了可行路径。
文章链接
https://doi.org/10.1002/adma.202518202
