Bias-Free Solar-to-Hydrogen Conversion in a BiVO4/PM6:Y6 Compact Tandem with Optically Balanced Light Absorption  

基于光吸收平衡的BiVO4/PM6:Y6緊湊型串聯(lián)器件的無偏壓太陽能-氫能轉換  

來源：Energy Environ. Mater. 2024, 7, e12679

《能源與環(huán)境材料》  

 

摘要內容：  

該研究設計并實現(xiàn)了一種緊湊型串聯(lián)結構，結合高透明度的BiVO?光陽極和帶隙為1.3 eV的PM6:Y6有機太陽能電池（OPV）。通過引入光子多層結構（TiO?/SiO?交替）優(yōu)化光吸收分布，使BiVO?在短波長區(qū)域的光吸收顯著增強，同時減少OPV在紫外區(qū)的無效吸收。這種設計使無偏壓太陽能-氫能（STH）轉換效率提升25%，達到1.93%，為緊湊型串聯(lián)光電器件逼近理論極限效率（~20%）提供了新路徑。  

 

研究目的：  

解決單一半導體光電解水系統(tǒng)的瓶頸（高電壓需求、復雜反應動力學），通過緊湊串聯(lián)結構實現(xiàn)光吸收平衡，最大化太陽能-氫能轉換效率。  

 

研究思路：  

理論設計：采用逆設計優(yōu)化方法（遺傳算法），結合傳輸矩陣理論和二極管模型，優(yōu)化多層結構（ML）的層數(shù)、材料（TiO?/SiO?）和厚度，以最大化無偏壓電流密度（圖1c）。  

 

 

材料制備：  

 

制備高透明、低光散射的BiVO?薄膜（厚度~600 nm，透光率>60% @500 nm，圖2）。  

 

 

構建PM6:Y6 OPV電池（帶隙1.3 eV），搭配Ag電極和ML結構（0-8層）。  

器件集成：將BiVO?光陽極與ML-OPV(Ag)串聯(lián)，表面沉積FeOOH/NiOOH催化劑提升析氧反應活性（圖5a）。  

 

 

性能測試：在雙電極電解槽中測量無偏壓下的光電流和氫氣產(chǎn)量。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：  

光吸收分布（圖3a, 圖4a-c）：  

 

 

測量ML結構的反射率（波長300-800 nm）及光陽極/OPV的外量子效率（EQE）。  

 

意義：驗證ML選擇性增強BiVO?在400-500 nm的吸收（EQE提升），同時抑制OPV在紫外區(qū)的無效吸收，實現(xiàn)光譜分配優(yōu)化。  

光電流密度（圖4d, 表1）：  

 

測量不同ML層數(shù)下光陽極在1.23 V下的電流密度（Jsc）。  

 

意義：ML8結構使Jsc提升19%（對比ITO-OPV），證明ML對光捕獲的增強作用。  

無偏壓制氫性能（圖5b,d）：  

 

串聯(lián)器件的J-V曲線及氫氣產(chǎn)率（μmol·cm?2·h?1）。  

 

意義：ML8-OPV(Ag)使無偏壓電流密度達1.57 mA·cm?2，氫氣產(chǎn)率提升25%（9.9 vs. 7.8），STH效率達1.93%。  

穩(wěn)定性：  

 

12小時連續(xù)光照下的電流衰減及器件性能恢復測試。  

 

意義：OPV穩(wěn)定性是主要瓶頸，但ML結構不影響器件長期運行。  

 

結論：  

首次實現(xiàn)BiVO?（~1.9 eV）與PM6:Y6 OPV（~1.3 eV）的能帶組合，逼近串聯(lián)PEC的理論效率極限。  

 

光子多層結構（ML）使光吸收按波長優(yōu)化分配，BiVO?光電流提升19%，串聯(lián)器件無偏壓制氫效率達1.93%（提升25%）。  

 

未來需優(yōu)化BiVO?的載流子遷移率及OPV穩(wěn)定性，通過納米結構光子設計進一步逼近20%的STH理論極限。

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細研究意義：  

直接量化氫氣產(chǎn)量：通過微傳感器實時監(jiān)測密閉反應室中的H?濃度（圖5d），提供產(chǎn)氫速率的直接實驗證據(jù)（9.9 μmol·cm?2·h?1）。  

驗證法拉第效率：結合公式（1）計算得出FE≈100%（圖5d散點），表明電子幾乎全部用于產(chǎn)氫，無顯著副反應或電荷損失。  

 

支撐STH效率計算：為公式（2）提供關鍵輸入數(shù)據(jù)（J_bias-free和FE），確認1.93%的STH效率可靠性。  

 

排除系統(tǒng)誤差：初期測量誤差較大（小體積氫氣讀數(shù)精度限制），但長期數(shù)據(jù)一致性高，證明串聯(lián)設計可穩(wěn)定產(chǎn)氫。