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紧凑型串联器件的无偏压太阳能-氢能转换  

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

《能源与环境材料》  

 

摘要内容：  

该研究设计并实现了一种紧凑型串联结构，结合高透明度的BiVO₄光阳极和带隙为1.3 eV的PM6:Y6有机太阳能电池（OPV）。通过引入光子多层结构（TiO₂/SiO₂交替）优化光吸收分布，使BiVO₄在短波长区域的光吸收显著增强，同时减少OPV在紫外区的无效吸收。这种设计使无偏压太阳能-氢能（STH）转换效率提升25%，达到1.93%，为紧凑型串联光电器件逼近理论极限效率（~20%）提供了新路径。  

 

研究目的：  

解决单一半导体光电解水系统的瓶颈（高电压需求、复杂反应动力学），通过紧凑串联结构实现光吸收平衡，最大化太阳能-氢能转换效率。  

 

研究思路：  

理论设计：采用逆设计优化方法（遗传算法），结合传输矩阵理论和二极管模型，优化多层结构（ML）的层数、材料（TiO₂/SiO₂）和厚度，以最大化无偏压电流密度（图1c）。  

 

 

材料制备：  

 

制备高透明、低光散射的BiVO₄薄膜（厚度~600 nm，透光率>60% @500 nm，图2）。  

 

 

构建PM6:Y6 OPV电池（带隙1.3 eV），搭配Ag电极和ML结构（0-8层）。  

器件集成：将BiVO₄光阳极与ML-OPV(Ag)串联，表面沉积FeOOH/NiOOH催化剂提升析氧反应活性（图5a）。  

 

 

性能测试：在双电极电解槽中测量无偏压下的光电流和氢气产量。  

 

测量数据及研究意义：  

光吸收分布（图3a, 图4a-c）：  

 

 

测量ML结构的反射率（波长300-800 nm）及光阳极/OPV的外量子效率（EQE）。  

 

意义：验证ML选择性增强BiVO₄在400-500 nm的吸收（EQE提升），同时抑制OPV在紫外区的无效吸收，实现光谱分配优化。  

光电流密度（图4d, 表1）：  

 

测量不同ML层数下光阳极在1.23 V下的电流密度（Jsc）。  

 

意义：ML8结构使Jsc提升19%（对比ITO-OPV），证明ML对光捕获的增强作用。  

无偏压制氢性能（图5b,d）：  

 

串联器件的J-V曲线及氢气产率（μmol·cm⁻²·h⁻¹）。  

 

意义：ML8-OPV(Ag)使无偏压电流密度达1.57 mA·cm⁻²，氢气产率提升25%（9.9 vs. 7.8），STH效率达1.93%。  

稳定性：  

 

12小时连续光照下的电流衰减及器件性能恢复测试。  

 

意义：OPV稳定性是主要瓶颈，但ML结构不影响器件长期运行。  

 

结论：  

首次实现BiVO₄（~1.9 eV）与PM6:Y6 OPV（~1.3 eV）的能带组合，逼近串联PEC的理论效率极限。  

 

光子多层结构（ML）使光吸收按波长优化分配，BiVO₄光电流提升19%，串联器件无偏压制氢效率达1.93%（提升25%）。  

 

未来需优化BiVO₄的载流子迁移率及OPV稳定性，通过纳米结构光子设计进一步逼近20%的STH理论极限。

 

丹麦Unisense电极数据的详细研究意义：  

直接量化氢气产量：通过微传感器实时监测密闭反应室中的H₂浓度（图5d），提供产氢速率的直接实验证据（9.9 μmol·cm⁻²·h⁻¹）。  

验证法拉第效率：结合公式（1）计算得出FE≈100%（图5d散点），表明电子几乎全部用于产氢，无显著副反应或电荷损失。  

 

支撑STH效率计算：为公式（2）提供关键输入数据（J_bias-free和FE），确认1.93%的STH效率可靠性。  

 

排除系统误差：初期测量误差较大（小体积氢气读数精度限制），但长期数据一致性高，证明串联设计可稳定产氢。