扬州大学胡经国&许小勇Adv. Sci：首次提出了外部ETL！！—以增强BiVO4中的电荷分离，促进太阳能水分解
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阅读： 2024/1/25 16:44:45
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前言回顾
电化学（PEC）分解水作为一种有前途的技术，可以直接将太阳能转化为氢燃料，用于可再生太阳能的储存和利用，这引起了人们的极大兴趣。钒酸铋（BiVO4,BVO）已成为太阳能分解水中最有前途的光阳极材料之一，因为它具有响应可见光的适当带隙（2.4,2.5 eV）以及能够进行水氧化的深价带电位。然而，迄今为止，BVO实现的PEC性能远低于理论预测，这主要是由于固有电荷传输特性差。为此，选择了多种方法去改善电荷传输和分离，以提高 BVO光阳极PEC性能，如引入掺杂剂或缺陷，构建异质结构，用析氧催化剂 （OEC）等等。其中，具有电子转移层（ETL）的异质结工程或空穴转移层 （HTL）有望通过靶向分离来引导电荷迁移，从而改善PEC的水分解。
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文献简介
基于此，扬州大学物理科学与技术学院的胡经国和许小勇等人首次提出了一种外部ETL概念，即使用碳包裹多孔BVO作为电子传输网络。他们通过生物模板自组装工艺将光敏BVO NPs与超薄碳（BVO@C）封装在一起，形成具有互连导电外壳的3D多孔结构。相似的碳涂层钝化表面电荷捕获位点，并形成了 3D 级联电子通道，从而具有改善电子传输对抗主体和表面复合的能力。结果表明，即使吸收层为 811 nm的厚度，BVO@C光阳极也可以在 1.23 VRHE时提供近乎完全的电荷分离。通过与OEC配合，加速空穴转移，使得BVO@C在1次阳光照射（AM 1.5 G,100 mW cm?2）和1.23 VRHE的条件下，实现了高达5.9 mA cm-2的出色光电流密度，并且在120小时内还表现出了强大的耐久性。
图1. (a) TA的化学结构; (b) HTL中含有TA的PSCs的截面SEM; (c) HTL中不同TA量的无机PSCs的J-V性能; (d) 具有和不具有TA的PSC的EQE; (e) MPP下的SPO和电流密度; (f) 滞后现象
图2. (a) DFT计算; (b) TA与PbI2相互作用和不与PbI2的相互作用下的FTIR光谱；(c) TA、TA/钙钛矿薄膜N1s的XPS；经TA处理和未经TA处理的钙钛矿膜的（d）Pb4f的XPS光谱; (e) TA和TA-PbI2在DMSO-D6溶液中的1H-NMR光谱
图3. (a) 具有和不具有TA处理的钙钛矿膜的稳态PL光谱和(b)TRPL曲线; (c) 无TA处理和(d)有TA处理的纯电子器件的SCLC; (e) 无TA治疗和 (f) 有TA治疗的仅孔装置的SCLC; (g) EIS-奈奎斯特图; (h) 深色J–V曲线; (i) C-V测量
图4. (a) 无TA和有TA的CB中LiTFSI的UV-vis光谱; (b) DFT计算; (c) 含和不含TA的HTL溶液的紫外-可见光谱; (d) 氧化HTL的电导率和(e)空穴迁移率；(f) 暴露在空气中的未氧化HTL的PL强度; (g) UPS谱图;(h) HTL中具有TA的完整PSCs的能量图; (i) 钙钛矿薄膜和不同HTL的TRPL光谱
图5. (a) 在钙钛矿膜上用TA涂覆HTL的ToF-SIMS深度分布和ToF-SIMS 3D图像; (b) 钙钛矿/HTL、钙钛矿/TA/HTL和钙钛矿/HTL（+TA）薄膜的照片；(c) 具有不同LiTFSI/TA比率的钙钛矿/HTL(+TA) 膜的照片;(d) TA、LiTFSI和TA+LiTFSI在DMSO-D6溶剂中的1H-NMR光谱; (e) 在25-35%的相对湿度环境中进行器件稳定性测试；(f) 未经TA处理、TA表面处理和TA作为HTL添加剂的未封装器件在65℃下、在充N2手套箱中的热稳定性测试
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文献总结
总之，该课题组证明了通过外部ETL以改善电荷分离的可行性。这种设计允许吸收层的加厚，从而以最大限度地提高光收集，同时还能消除表面的电荷捕获缺陷位点，并将半导体与电解液分离以增强耐腐蚀性。这种外部ETL概念开辟了一条新的途径，以解决在设计高性能PEC系统时，大多数氧化物半导体的电荷传输问题。相关研究成果最新发表于国际知名期刊《Advanced Science》，题为“Enhanced Charge Separation in Nanoporous BiVO4 by External Electron Transport Layer Boosts Solar Water Splitting”。
本文关键词：BiVO4光阳极；电荷传输；光化学电池；太阳能水分解
转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号
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