化合物半導(dǎo)體Cu2ZnSnS4太陽電池與人工光合作用制氫

江 豐，李林濤，馮 曠，王 康，黃定旺

(華南師范大學(xué)半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)研究院，廣州 510631)

巨大的能源需求是當(dāng)今世界發(fā)展日益面臨的重大能源問題，煤、石油和天然氣作為傳統(tǒng)的不可再生能源，不僅在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生CO2導(dǎo)致溫室效應(yīng)，并且隨著人類過度開采與使用，化石能源必然會(huì)面臨枯竭，因此開發(fā)清潔的可再生能源迫在眉睫. 太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，不會(huì)對環(huán)境造成任何形式的污染，是非常理想的能量來源. 每年太陽照射到地球上的能量約1.3×105TW，是世界年消耗能量的10 000倍左右. 如果能夠大規(guī)模轉(zhuǎn)化和利用太陽能，對世界能源問題影響將是巨大的. 因此對太陽能的研究和開發(fā)具有重大前景和意義[1].

對于太陽能的開發(fā)利用包括：光電效應(yīng)和自然界植物對太陽獨(dú)特的吸收利用. 光電效應(yīng)自愛因斯坦提出以來，在科研人員的不懈努力探索下，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體太陽能電池問世[2]，在受到葉綠體吸收太陽光結(jié)合H2O產(chǎn)生O2的啟發(fā)下，半導(dǎo)體催化分解H2O的仿生光合作用應(yīng)運(yùn)而生[3]. 目前，對太陽能的利用開發(fā)主要集中于半導(dǎo)體領(lǐng)域，在太陽能電池方面的研究經(jīng)歷了從單元素硅到多元素化合物半導(dǎo)體的演變. 與單元素硅相比，由2種或2種以上元素以確定的原子數(shù)配比形成化合物半導(dǎo)體，其種類豐富且光電性能優(yōu)異，是制備光伏器件的理想材料[4]. 化合物半導(dǎo)體具有明確的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)，不同元素組成的化合物半導(dǎo)體具有不同的帶隙，容易找到對太陽光有較大吸收的、適合作為光伏器件吸收層的化合物半導(dǎo)體材料，以獲得更高的太陽能轉(zhuǎn)換效率. 并且化合物結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，制備工藝成熟，制備出來的器件不僅具有良好的穩(wěn)定性且制作成本低廉，這也是以化合物半導(dǎo)體吸收層光伏器件大規(guī)模應(yīng)用的巨大優(yōu)勢. 而仿生太陽光分解水制氫的原理與太陽能電池相似，與太陽能電池不同的是光解水器件與水接觸，在實(shí)際應(yīng)用中更容易受到環(huán)境侵害. 因此，輕薄、低成本、可調(diào)控的化合物半導(dǎo)體光伏材料比單元素半導(dǎo)體更適合未來的太陽能利用與開發(fā)[5-7].

1 化合物半導(dǎo)體太陽能電池

1.1 太陽能電池研究概述

太陽能電池是目前最為常見的太陽能轉(zhuǎn)換器件，通過光電效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能. 隨著對太陽能電池的研究，太陽能電池的效率和穩(wěn)定性逐漸升高，根據(jù)美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室最新統(tǒng)計(jì)顯示，以砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵錫為代表的化合物半導(dǎo)體，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率不斷增加[8-11]，其中砷化鎵薄膜晶體太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30.9%[12]，聚光多結(jié)太陽能電池更是達(dá)到目前最高的光電轉(zhuǎn)換效率(46.0%)[13].

太陽能電池的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，使太陽能電池已經(jīng)具備大規(guī)模商用的條件. 太陽能的大規(guī)模利用，為世界能源問題起到明顯的緩解作用. 隨著科技的不斷進(jìn)步，人類社會(huì)對環(huán)境保護(hù)的要求和對再生清潔能源的需求不斷提高，通過太陽能電池利用太陽能將會(huì)是切實(shí)可行的方法，這將為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的天地. 但高效率的砷化鎵、碲化鎘等化合物半導(dǎo)體伴隨著高成本和高危劇毒性，所以，開發(fā)以低成本、無毒性的由Cu、Zn、Sn、S、Se、O等元素組成的化合物半導(dǎo)體材料(如Cu2ZnSnS4，下稱“CZTS”)，將會(huì)是未來實(shí)現(xiàn)太陽能高效持續(xù)利用的重要途徑之一[14-16].

1.2 半導(dǎo)體太陽能電池的低成本化

本研究組前期的研究方向主要圍繞這些低成本化合物半導(dǎo)體開展，具體涉及CZTS太陽能電池制備及性能的改善，取得了一些卓有成效的成果[14-21]. CZTS是一種具有出色光電性能的化合物半導(dǎo)體光伏材料，其禁帶寬度為1.45 eV，可以為太陽能電池和太陽光分解水制氫器件提供良好的開啟電壓和光電流，理論光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32.8%，非常適合作為太陽能器件的吸收層. CZTS材料光吸收系數(shù)大于104cm-1，遷移率為10.72 cm2/(V·s)，在以CZTS材料為吸收層的光電器件中，光生載流子的產(chǎn)生和傳輸都具有良好的先天優(yōu)勢[14]. 最初，本研究采用恒電位電化學(xué)沉積法將Cu層、Sn層及Zn層前驅(qū)體金屬依次沉積在Mo涂層玻璃上，然后將沉積樣品進(jìn)行350 ℃的低溫?zé)崽幚?，以達(dá)到均勻的合金化效果[17]，最后進(jìn)行590 ℃高溫硫化以制備CZTS基層，從掃描電鏡圖(圖1A～D)可看出，隨著金屬前驅(qū)體預(yù)熱時(shí)間的增加，CZTS晶粒之間空隙越小，薄膜越致密. 此外，在CZTS薄膜基礎(chǔ)上疊加CdS、AZO、ITO和接觸電極Al，制備了Al/ITO/ZnO/CdS/CZTS/Mo太陽能電池結(jié)構(gòu)器件.

圖1 不同預(yù)熱時(shí)間制備CZTS薄膜的表面SEM圖、電池界面TEM圖及器件性能[17]

為了更詳細(xì)了解預(yù)熱150 min后CZTS層的結(jié)晶品質(zhì)，對預(yù)熱150 min制備的Al/ITO/ZnO/CdS/CZTS/Mo器件截面拍攝了透射電子顯微鏡(TEM)圖像，并對CZTS部分做了能量色散X射線光譜(EDX)分析(圖1E～F)；Cu、Zn、Sn、S元素在CZTS部分分布非常均勻，這得益于金屬前驅(qū)體的長時(shí)間低溫預(yù)熱，使得Cu、Zn、Sn可以均勻擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)更好的合金化效果，制備的Al/ITO/ZnO/CdS/CZTS/Mo太陽能電池結(jié)構(gòu)器件性能也隨著制備CZTS基層時(shí)預(yù)熱時(shí)間的增加而改善(圖1G). Al/ITO/ZnO/CdS/CZTS/Mo器件的最優(yōu)開啟電壓和短路電流分別為0.719 V和17.7 mA/cm2，經(jīng)過防反射層處理后，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8.0%[17]. 后續(xù)通過載流子壽命、光致發(fā)光等測試分析進(jìn)一步優(yōu)化了Al/ITO/i-ZnO/CdS/CZTS/Mo結(jié)構(gòu)中CZTS層的預(yù)熱時(shí)間，取得更優(yōu)異的性能，該太陽能電池器件的開啟電壓及短路電流分別為0.705 V和18 mA/cm2，并且太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.1%[18].

為了盡量降低CZTS基太陽能電池的成本，采取非真空噴霧熱解法制備了Ga摻雜ZnO(GZO),將其作為窗口層制備了Al/GZO/CdS/CZTS/Mo結(jié)構(gòu)的太陽能電池，采用GZO噴霧熱解法制備薄膜，其器件結(jié)構(gòu)截面如圖2A所示，噴霧熱解法制備的GZO可以致密地覆蓋CdS/CZTS層，其厚度達(dá)到1 μm左右；圖2C為噴霧熱解GZO層的透射光譜圖，1 μm厚的GZO對光透過性良好，可見光透過率并沒有明顯降低. Al/GZO/CdS/CZTS/Mo太陽能電池光電性能如圖2B、D所示，獲得了0.678 V和16.6 mA/cm2的開啟電壓和短路電流以及6.4%的光電轉(zhuǎn)化效率[19].

圖2 Al/GZO/CdS/CZTS/Mo結(jié)構(gòu)器件的截面SEM形貌及其太陽能電池性能[19]

1.3 In2S3緩沖層

由于CdS對環(huán)境具有極強(qiáng)的破壞性，我們嘗試尋找可以替代的緩沖層，利用前述電沉積方法制備CZTS基層，并在此基礎(chǔ)上電沉積不同厚度In2S3作為緩沖層，最后制備Al/ITO/ZnO/In2S3/CZTS/Mo結(jié)構(gòu)的無鎘太陽能電池器件；不同厚度In2S3作為緩沖層的器件光電性能如圖3所示. 最終在最優(yōu)參數(shù)條件下制備太陽能電池器件，開啟電壓及短路電流分別為0.621 V、20 mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6.9%[22].

圖3 不同厚度In2S3的Al/ITO/ZnO/In2S3/CZTS/Mo器件在后續(xù)熱處理前后的太陽能電池性能[22]

1.4 CZTS薄膜的改進(jìn)電沉積工藝

由于堆疊式電沉積金屬前驅(qū)體工藝繁瑣，我們改進(jìn)了電沉積方法：采用金屬前驅(qū)體混合共沉積的方法制備了合金化更均勻的CZTS薄膜，以其為基礎(chǔ)制備的ITO/CdS/CZTS/Mo太陽能電池獲得了7.7%的光電轉(zhuǎn)換效率[23]. 除了電沉積及濺射法制備CZTS薄膜，噴霧熱解法也可被用于CZTS薄膜的制備，并且噴霧熱解法比濺射法的成本低. 電沉積法更容易控制且對襯底要求較低，可重復(fù)性強(qiáng)，有利于大面積大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用. 基于此，我們采用噴霧熱解法制備了CZTS薄膜太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)5.8%(圖4)，該器件具有十分廣闊的發(fā)展前景[24]. 對于CZTS基薄膜太陽能電池，CdS仍然是與吸收層匹配最好、性能最優(yōu)異的緩沖層材料，但受限于Cd的劇毒性，后續(xù)發(fā)展性能優(yōu)異的無Cd太陽能電池器件依然是重要研究方向；基本實(shí)際應(yīng)用中的成本及可行性考慮，噴霧熱解法制備CZTS吸收層的低成本及組分可調(diào)控性、可大面積噴涂等優(yōu)勢也將加快其器件的商業(yè)化進(jìn)程.

圖4 噴霧熱解法制備Al/ITO/ZnO/CdS/CZTS/Mo結(jié)構(gòu)太陽能電池的制備示意圖及其器件的I-V曲線[24]

2 化合物半導(dǎo)體太陽光分解水制氫

2.1 仿生光合作用

對太陽能利用的另一方式即仿生光合作用，利用半導(dǎo)體吸收太陽光催化分解水制氫，是一種通過化學(xué)反應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能的途徑，其原理與太陽能電池相近[3-4]. 氫能是另一種具有顯著標(biāo)志性意義的清潔能源，其燃燒產(chǎn)物只有水，不會(huì)對環(huán)境造成污染，圍繞氫能的研究和探索工作意義重大. 太陽能與氫能的結(jié)合吸引了越來越多的關(guān)注. 目前，光伏材料與器件的發(fā)展態(tài)勢迅猛并日趨成熟，相關(guān)技術(shù)研發(fā)層出不窮. 光伏材料及其器件因?yàn)槠涮赜械墓夥?yīng)和較高的太陽光利用效率，非常適合作為太陽光分解水制氫電極材料. 近年來，CZTS在太陽光分解水制氫領(lǐng)域顯示出了極大的潛能，利用光伏材料及其器件來制備和研究太陽光分解水制氫是一條值得大力發(fā)展的研究道路，也是目前最有希望在太陽能制氫領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的研究方向.

2.2 CZTS基光電陰極光分解水制氫

光電陰極主要包括：吸收層、緩沖層、表面催化劑. 吸收層吸收大部分太陽光激發(fā)載流子；緩沖層吸收少部分太陽光并與吸收層形成異質(zhì)結(jié)促進(jìn)載流子的分離和傳輸；表面催化劑吸附H+. 由于CdS與CZTS形成的異質(zhì)結(jié)性能優(yōu)異，通常用CdS作為緩沖層，但是CdS在水溶液中存在光腐蝕效應(yīng)從而導(dǎo)致緩沖層的失效，所以通常在緩沖層與催化劑之間會(huì)插入表面修飾層起到鈍化保護(hù)作用，或者作為電子-空穴傳輸層促進(jìn)載流子的分離和傳輸. 首先用電沉積方法制備CZTS吸收層，然后通過水浴反應(yīng)先沉積CdS，再沉積較為穩(wěn)定的In2S3作為表面鈍化層. 由圖5A可知，與Pt/CdS/CZTS光陰極相比，Pt/In2S3/CZTS光陰極電流明顯較低，在0 V(RHE，相對于可逆氫電極，全文同)下的光陰極電流分別為-4.5、-9.3 mA/cm2. CdS的能帶位置與CZTS能帶位置更加匹配，更有利于載流子的傳輸；而Pt/In2S3/CdS/CZTS光陰極可獲得更低的陰極電流，因?yàn)樵赑t與CdS之間插入In2S3層，不僅起到了很好的鈍化保護(hù)作用，還成為良好的電子傳輸層促進(jìn)載流子的轉(zhuǎn)移. 圖5B為太陽能轉(zhuǎn)換氫能半電池效率(Half Cell Solar to Hydrogen Efficiency,HC-STH)圖，Pt/In2S3/CdS/CZTS光陰極的水分解效率為1.63%，遠(yuǎn)高于Pt/CdS/CZTS的0.61%, 由電流-時(shí)間曲線(圖5C)可以看出，隨著時(shí)間的推移，Pt/In2S3/CdS/CZTS光陰極的陰極電流略微衰減，而Pt/CdS/CZTS陰極電流在短時(shí)間內(nèi)幾乎衰減到0，由此判斷In2S3層具有良好的鈍化保護(hù)作用[25].

圖5 CZTS基光電陰極的光分解水制氫性能[25]

2.3 無偏壓的水分解器件

由于Pt/In2S3/CdS/CZTS光陰極具有較高的開啟電壓和優(yōu)異的光電性能，該光陰極可以與BiVO4組成無偏壓的水分解器件(圖5D),該器件不需要任何外界電壓輔助. 本研究組對其進(jìn)行了光電性能及無偏壓器件產(chǎn)氫測試(圖5E、F)，串聯(lián)器件的水分解效率為0.28%[25]. 雖然串聯(lián)器件效率低，但可以實(shí)現(xiàn)無偏壓分解水產(chǎn)氫，并且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，而且BiVO4是一種非常穩(wěn)定的光陽極材料，已有報(bào)道稱其穩(wěn)定性可以達(dá)到1 100 h以上. 但是受限于光陰極材料的穩(wěn)定性，當(dāng)前階段并不能制備穩(wěn)定高效的無偏壓水分解器件，所以本研究組主要圍繞提升光陰極穩(wěn)定性及光陰極電流展開了進(jìn)一步研究.

由于電沉積CZTS薄膜具有較難重復(fù)，并且對襯底要求較高，所以采用改進(jìn)噴霧熱解法制備CZTS薄膜的工藝，通過優(yōu)化相關(guān)參數(shù)制備出了性能優(yōu)異的CZTS薄膜；進(jìn)一步使用化學(xué)水浴沉積法沉積緩沖層CdS和表面修飾層ZnS，制備了Pt-ZnS/CdS/CZTS結(jié)構(gòu)的光陰極，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：ZnS可以有效地鈍化并保護(hù)CdS緩沖層，進(jìn)而降低其在溶液中的光腐蝕速率，并且ZnS通過內(nèi)部缺陷與CdS形成II型異質(zhì)結(jié)界面，可以通過調(diào)節(jié)表面載流子的空間分布，有效增強(qiáng)表面的催化活性(圖6A)，進(jìn)而增強(qiáng)光陰極器件的產(chǎn)氫性能，并且能穩(wěn)定2.5 h，陰極電流未發(fā)生明顯衰減(圖6B)，在0 V下，光陰極電流為8 mA/cm2，水分解效率為2.1%(圖6C)[26].

圖6 Pt-ZnS/CdS/CZTS結(jié)構(gòu)的光陰極能帶結(jié)構(gòu)、產(chǎn)氫原理及其性能[26]

采用不同的表面修飾層來保護(hù)CdS緩沖層，用HfO2鈍化保護(hù)CdS緩沖層，具體穩(wěn)定性如圖7A～D所示，其光陰極電流如圖7E～H所示.

圖7 Pt-HfO2/CdS/CZTS光陰極中不同厚度HfO2層的電流-時(shí)間曲線以及穩(wěn)定性測試前后的線性伏安掃描曲線[27]

結(jié)果表明：HfO2鈍化層(厚度6 nm)可誘發(fā)表面隧穿效應(yīng)，促進(jìn)了載流子的分離和傳輸，提高了CZTS基光陰極的光解水性能，光陰極電流為11.9 mA/cm2(0 V)，開啟電壓為0.65 V(圖7G)，穩(wěn)定性可以保持在10 h以上(圖7C)，水分解效率達(dá)2.7%.

為了測試其無偏壓分解水性能，設(shè)計(jì)Pt-HfO2/CdS/CZTS與BiVO4串聯(lián)結(jié)構(gòu)，器件的伏安掃描曲線在0.57 V處有交點(diǎn)，電流為0.64 mA,該結(jié)構(gòu)器件具有良好的穩(wěn)定性(圖8A)及產(chǎn)氫性能(圖8B、C)，可穩(wěn)定產(chǎn)氫10 h左右，其結(jié)構(gòu)示意圖與器件實(shí)物如圖8D、E所示[27].

2.4 無貴金屬光陰極催化分解水

MoSx不僅對CdS具有良好的修飾鈍化保護(hù)作用，還可以代替Pt作為表面析氫催化劑，從而制備無貴金屬光陰極催化分解水器件，進(jìn)一步降低器件成本. 本研究組前期研究發(fā)現(xiàn)：相對于傳統(tǒng)含貴金屬Pt的光電陰極，MoSx具有更高的開啟電壓和陰極電流(圖9A、B). 通過調(diào)節(jié)MoSx的沉積時(shí)間優(yōu)化了厚度參數(shù)，其性能由圖9C所示. 在最優(yōu)參數(shù)條件下制備的MoSx-CdS/CZTS結(jié)構(gòu)光陰極，其穩(wěn)定性達(dá)到10 h以上(圖9D). 陰極電流為18 mA/cm2(0 V)，開啟電壓為0.6 V，水分解效率達(dá)3%. 該研究開拓了新型表面修飾層以及表面催化劑的選擇性，對推進(jìn)CZTS基光陰極產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重大意義[28].

圖8 Pt-HfO2(6 nm)/CdS/CZTS與BiVO4串聯(lián)器件及其產(chǎn)氫性能[27]

圖9 CdS/CZTS、Pt-CdS/CZTS和MoSx-CdS/CZTS光陰極的光電化學(xué)性能[28]

2.5 豎立堆積納米片陣列GeSe光陰極

通過熱蒸發(fā)法，調(diào)節(jié)參數(shù)制備豎立堆積納米片陣列的GeSe吸收層薄膜，然后采用水浴沉積CdS、原子氣相沉積法制備TiO2層，并將Pt納米顆粒電沉積在表面作為催化劑(Pt-GeSe、Pt-CdS/GeSe、Pt-TiO2/CdS/GeSe)，相應(yīng)光陰極的線性伏安掃描曲線對比如圖10A～C所示，Pt-TiO2/CdS/GeSe光陰極的光電流相比其他2種有明顯提升，最后獲得10.5 mA/cm2(0 V)的光陰極電流，開啟電壓為0.45 V，水分解效率為1.04%(圖10D). 圖10E為不同光強(qiáng)下GeSe、CdS/GeSe、TiO2/CdS/GeSe光陰極的開啟電壓. 在光強(qiáng)較低時(shí)CdS界面復(fù)合嚴(yán)重，導(dǎo)致開啟電壓較低，而隨著光強(qiáng)的增加，復(fù)合現(xiàn)象得到緩解，但仍然對其性能有影響. 對于TiO2覆蓋的CdS/CZTS光陰極，其開啟電壓隨著光強(qiáng)的變化而改變不大，證明TiO2能有效抑制CdS表面載流子的復(fù)合[29].

圖10 不同修飾層GeSe光陰極的光電化學(xué)性能[29]

2.6 上轉(zhuǎn)換材料和CZTS光陰極結(jié)合

將上轉(zhuǎn)換材料和CZTS光陰極結(jié)合是一項(xiàng)有趣的研究，它使原本不能被CZTS光陰極吸收的紅外光轉(zhuǎn)換為可吸收波長范圍的光，進(jìn)而分解水產(chǎn)氫. 當(dāng)前最優(yōu)方案：在磷酸溶液中溶解NaYF4∶Yb20%/Er2%@NaYF4、輔以Pt/CdS/CZTS光陰極可得到光陰極電流達(dá)4 mA/cm2(0 V)，開啟電壓為0.6 V. 目前，相關(guān)研究尚處于起步階段，這為以后CZTS基光陰極分解水的研究提供了新的思路[30].

3 結(jié)束語

針對CZTS薄膜制備及影響因素的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述. 通過改進(jìn)工藝及優(yōu)化參數(shù)可提升電沉積CZTS基太陽能電池效率，采用低成本噴霧熱解的制備方法可提升CZTS基太陽能電池的性能；提出環(huán)保無Cd薄膜太陽能電池的具體方案，使用無Cd的In2S3及Si作為緩沖層制備太陽能電池，可以降低太陽能電池毒性. 目前，相比更成熟的砷化鎵、碲化鎘等半導(dǎo)體材料，CZTS、GeSe等低成本環(huán)保型半導(dǎo)體材料還有很大的發(fā)展空間. 主要問題是光電轉(zhuǎn)換效率不高，材料晶體品質(zhì)、制備工藝及摻雜機(jī)理尚待進(jìn)一步研究.

考慮到大面積、大規(guī)模的應(yīng)用，開發(fā)多種多樣的低成本制備方案也有利于器件的商業(yè)化進(jìn)程；探討更完善的金屬摻雜機(jī)理有利于改善晶體結(jié)構(gòu)品質(zhì)，減少缺陷和界面以促進(jìn)載流子的分離與傳輸. 另一方面，需要尋找開發(fā)更為環(huán)保的無Cd緩沖層半導(dǎo)體材料，在提高太陽能電池效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)以環(huán)保無毒方式利用太陽能的目標(biāo).

受植物光合作用的啟發(fā)，人工光合作用分解水制氫是另一個(gè)實(shí)現(xiàn)環(huán)保利用太陽能的方法，并且產(chǎn)出燃料可以替代化石燃料作為新興能源，適應(yīng)性更廣泛，與太陽能電池原理類似，且具有更簡單的結(jié)構(gòu)，本研究組在這一方面也做了許多工作：通過優(yōu)化工藝，從電沉積到噴霧熱解制備CZTS薄膜，并輔以In2S3、ZnS、HfO2、MoSx等表面修飾層,極大提升了CZTS薄膜光電陰極分解水的性能；關(guān)注其他光陰極材料(如GeSe)，使用熱蒸發(fā)法制備了GeSe納米片狀結(jié)構(gòu)薄膜，將其光陰極的水分解效率提升到1.04%；為了解決光電極外置偏壓的問題，我們通過太陽能電池與光電極結(jié)合的方法，制備CZTS基太陽能電池與BiVO4結(jié)合結(jié)構(gòu)，由太陽能電池提供外置偏壓，BiVO4分解水制氧，在對電極上制氫. 此外，為結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)無偏壓分解水制氫，我們在同時(shí)期制備了CZTS基體/BiVO4基體串聯(lián)結(jié)構(gòu)，由Pt/In2S3/CdS/CZTS與NiOOH/BiVO4的串聯(lián)結(jié)構(gòu)到Pt-HfO2(6 nm)/CdS/CZTS與BiVO4的串聯(lián)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，我們將上轉(zhuǎn)換材料與CZTS基光電陰極結(jié)合，通過上轉(zhuǎn)換材料將CZTS不吸收的紅外光轉(zhuǎn)換為可吸收光，拓寬了吸收層的吸收波長，拓展了CZTS基光電陰極分解水的新思路.

無論是太陽能電池，還是光電極器件，如何高效分離轉(zhuǎn)移光生載流子對兩者性能的提升至關(guān)重要，且兩者具有通性. 而與薄膜太陽能電池不同的是，光電極擁有固液接觸界面，所以需要更好的保護(hù)層及高效的表面催化劑；在兩者的研究工作中，提高吸收層性能、選擇更好的緩沖層形成異質(zhì)結(jié)對兩種太陽能利用方式都有重大幫助. 但從長遠(yuǎn)來看，易于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移的燃料氫能比光電轉(zhuǎn)化更具有普適性和更廣泛的應(yīng)用.