表面光捕获结构设计助力高效光电化学水分解
作者：陈乐（澳门十大赌博靠谱网站平台光电工程学院）
导读
近日，澳门十大赌博靠谱网站平台微纳光电检测团队在光电化学电池研究领域取得进展。研究团队提出了一种利用表面凹陷结构的陷光特性，提升光电化学电池光电转化能力的方法。利用时域有限差分法详细研究了表面凹陷结构对光电化学电池光电池光电极的光吸引能力以及电池光电特性的影响，相比于平板结构光电化学电池，凹陷结构电池的光阳极的光吸收能力，从而显著提升光电极的光电转化效率。这一结果，为利用表面陷光结构，开发新型的光电化学电池提供了新的思路和理论基础。相关研究以“Simulation an effective light trapping structure for boosting photoelectrocatalytic water splitting”为题发表在化学、材料领域权威期刊Journal of Colloid and Interface Science（中科院一区TOP期刊， IF24=9.4）上。
图1 三种结构光电化学电池的模型图，电场分布图，以及短路电流密度-电压图
研究背景
国家统计局年度统计公报发布，据初步核算2023年能量消耗总量为57.2亿吨标准煤，比2022年增长5.7%。天然气、太阳能发电、水电、风电等清洁能源的消耗占总量的比重，则上升了0.4个百分点。清洁能源的开发和利用正逐步成为能源消费的主流。清洁能源的开发已成为了人们关注的重点问题之一。氢气作为一种极具发展潜力的清洁能源，它被认为最终有可能取代化石燃料等常规能源，因此利用太阳能分解水制氢是一个非常有价值的研究方向。如何提升太阳能分解水制氢的效率成为研究重点，目前提升效率的方法多为通过改变光电极或催化剂的材料来提升太阳能分解水制氢的效率。表面陷光结构也可提升光吸收效率，但应用范围不广泛，且结构多样化。
研究亮点
作者首先设计一种表面金字塔形的陷光结构，通过改变金字塔结构底角的角度分析光吸收表面积增加对电池光阳极的光吸收能力的影响。结果表明，光电化学电池光阳极的光吸收率随着光吸收表面积增大而增加。
图2 光吸收表面积的不同引起光电化学电池的性能变化图
其次，研究了表面凹陷结构深宽比对光阳极光吸收的影响，通过改变凹陷结构光阳极的深宽比分析深宽比对凹陷结构光阳极的光吸收的影响，深宽比的范围为0-2。通过仿真改变其深宽比来探究凹陷结构对其反射率的影响，发现随着深宽比的增大，光阳极反射率越低，凹陷结构的陷光作用越好。可见电池光阳极吸收率的提升光电极表面积增大，以及凹陷结构本身的陷光效应共同作用的结果。
图3 凹陷结构深宽比的改变而引起光电极吸收率的变化
最后，通过对比分析光吸收表面积相同的30°底角的金字塔结构和深宽比为0.30的凹陷结构光电化学电池的性能和光阳极的吸收率，以及电场分布图，对比研究凹陷结构和表面积增加对光电化学电池的提升效果。结果显示，凹陷结构对光吸引效率的提升更为明显，远大于金字塔结构的效果。凹陷结构提升光电极光吸引的物理机制，其主要体现三方面作用：表面反射减少、减少光逃逸和延长光程。
图4 光吸收表面积相同时，两种结构光电化学电池的性能对比
总结与展望
研究团队提出的表面凹陷结构提升光电化学电池光电转化能力的方法。既利用了光电极表面积增加的特性，同时利用了凹陷结构的陷光特性，两者的共同作用，增强了光电化学电池的光吸收能力，从而提升电池的光电转化效率的方法。即结构深宽比和结构内表面积对吸收率和光电性能都有影响，但凹陷结构的陷光效应比增加表面积更有效。
论文的第一作者为澳门十大赌博靠谱网站平台光电工程学院陈乐副教授，共同通讯作者为澳门十大赌博靠谱网站平台光电工程学院张文涛教授和暨南大学物理与光电工程学院黎晋良副研究员，光电工程学院研究生宋香丽、罗炜为共同作者，以上成果由国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央引导地方科技发展资金、广西重点研发计划和广西电化学与磁化学功能材料重点实验室等项目支持。
论文信息：Le Chen, Xiangli Song, Wei Luo, Chen Zhu, Junqiang Zhou, Zhongwu Tian, Wentao Zhang*, Jinliang Li*, Simulation an effective light trapping structure for boosting photoelectrocatalytic water splitting, Journal of Colloid and Interface Science, 2025, 679, 349-357.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.09.212
