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太陽光水解制氫是一種理想的氫能源製備途徑，科研人員對此進行了廣泛研究。在這項工作中，我們使用CdxZn1-xS作為緩衝層成功製備了高效的二元化合物半導體Sb2Se3光電陰極。研究發現Zn/Cd的比例對Pt/CdxZn1-xS/Sb2Se3光電陰極的光電化學（PEC）效能有顯著影響。在0 VRHE時, Pt/CdxZn1-xS/Sb2Se3裝置光電流密度可達17.5 mA cm -2，半電池轉化效率(HC-STH)達2.19％。此外，該裝置與BiVO4串聯形成CoPi/BiVO4-Pt/CdxZn1-xS/Sb2Se3 裝置用於無偏壓分解水，在8.5小時內光電流未出現明顯衰減，表明器件有優異的穩定性。
背景介紹
太陽光水解制氫充分利用了半導體材料在太陽光下能有效吸收光轉化為光電子的優勢來分解水產生氫氣，所產生的氫氣被儲存，運輸和消耗，而沒有任何二次汙染。因此，這種方法是最有希望和可持續的太陽能收集途徑之一。 硒化銻(Sb2Se3) 由於其帶隙適合、空穴遷移率高、低毒性以及高吸光係數等特性受到研究者的廣泛研究。此外，適合的緩衝層也至關重要，CdS具有較好的鈍化效果，因此採用CdS作為緩衝層。Zn的摻入可有效調控電子結構，促進電子傳導；Zn的摻入可有效調控帶隙，減少緩衝層對光子的吸收；Zn取代Cd形成CdxZn1-xS相對CdS而言對環境危害較小；Zn的引入可有效調控緩衝層的導帶底，從而降低緩衝層與吸收層之間的勢壘，提高異質結介面處光生載流子的轉移效率。
圖文解析
圖4為不同修飾層與Sb2Se3異質結之間的能帶偏移圖(a) CdS/Sb2Se3, (b) Cd0.8Zn0.2S/Sb2Se3, (c) Cd0.5Zn0.5S/Sb2Se3, and (d) Cd0.2Zn0.8S/Sb2Se3。CdS/Sb2Se3形成的是Ⅰ型異質結，存在較為明顯的電子洩露，而摻入Zn後可形成Ⅱ型異質結且導帶偏移小於0.4 eV，有利於促進載流子轉移，從而有效減少光生電子-空穴的複合。
Fig. 4. The band alignment of the Sb2Se3-based photocathode modified with different buffers: (a) CdS/Sb2Se3, (b) Cd0.8Zn0.2S/Sb2Se3, (c) Cd0.5Zn0.5S/Sb2Se3, and (d) Cd0.2Zn0.8S/Sb2Se3.
圖5是Pt/Cd0.5Zn0.5S/Sb2Se3和Pt/CdS/Sb2Se3光電陰極的IMPS(a,b), IMVS(d,e)以及計算所得的載流子轉移時間(c)及載流子壽命(f)曲線。Zn的引入不僅可以促進載流子的轉移還可以延長載流子壽命，從而有效減少光生電子-空穴複合。
Fig. 5. IMPS spectra of (a) Pt/Cd0.5Zn0.5S/Sb2Se3, (b) Pt/CdS/Sb2Se3 photocathode and (c) The calculated transfer time of photoexcited carriers within the Pt/Cd0.5Zn0.5S/Sb2Se3 and Pt/CdS/Sb2Se3 photocathodes. IMVS spectra of (d) Pt/Cd0.5Zn0.5S/Sb2Se3, (e) Pt/CdS/Sb2Se3 photocathode, (f) the calculated photoexcited carrier lifetimes of Pt/Cd0.5Zn0.5S/Sb2Se3 and Pt/CdS/Sb2Se3 photocathodes.
圖6給出了四種不同摻雜的樣品的LSV曲線，分別對應Zn含量0%，20%，50%和80%.
Fig. 6. The LSV plots of Sb2Se3 photocathode with CdS, Cd0.2Zn0.8S, Cd0.5Zn0.5S, and Cd0.8Zn0.2S buffer layer.
總結與展望
利用化合物半導體光伏材料製備高效太陽光水解制氫器件是一條行之有效的的理想途徑，二元化合物半導體光伏材料Sb2Se3不僅有著優異的光伏特性，也同時展現出了非常可觀的太陽能水解制氫效率。本文為Sb2Se3光電陰極用於高效太陽光水解制氫提供了有效途徑，併為實現高效穩定太陽能制氫器件提供了新的選擇。
作者介紹
通訊作者 江豐：華南師範大學”青年拔尖人才”，研究員，博士生導師。長期致力於Cu2ZnSnS4, GeSe, Sb2Se3等化合物半導體光伏材料在太陽光水解制氫器件中的交叉研究和應用。至今發表學術研究論文50餘篇，其中以第一作者 / 獨立通訊作者身份在 Energy Environ. Sci., JACS, Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., ACS Catalysis, Progress in Photovoltaics, Chem. Mater. 等國外知名期刊上發表論文20餘篇。2017年 3月入職華南師範大學並獨立組建課題組, 以唯一通訊作者發表多篇高影響力期刊論文，包括Energy Environ. Sci., ACS Energy Lett., ACS Catal., Appl. Catal. B: Environ. 等。
課題組網站：https://www.x-mol.com/groups/jiang_feng
第一作者 李豔：華南師範大學半導體科學技術研究院2019級碩士研究生。
Y. Li, K. Wang, D. Huang, L. Li, J. Tao, N.A.A. Ghany, F. Jiang*, CdxZn1-xS/Sb2Se3 thin film photocathode for efficient solar water splitting, Applied Catalysis B: Environmental, 286 (2021) 119872.