科學新知：2021 Adv. Mater., 61.8% FE! 如何用氮化碳催化劑和光電陰極解耦增強光捕獲?

　　Advanced Materials (IF 30.849) 於今年刊登一項研究。研究團隊使用多孔氮化碳催化劑，以 Si 光電陰極結構解耦光催化和電催化，達成 61.8% 的法拉第效率 (Faradaic efficiency, FE)。

　　以光電化學 (photoelectrochemical, PEC) 進行氮還原反應 (nitrogen reduction reaction, NRR) 合成氨 (NH₃) 是一種具吸引力且相當有前景的方法。然而，光學、電學和催化性能的協同管理充滿挑戰，也限制了光電化學氮還原反應的效率。在此研究中，研究團隊以級聯 n⁺np⁺-Si 光電陰極結構解耦器件中的光捕獲和電催化，並增強光捕獲、載流子分離/傳輸和催化反應。這種去耦的設計概念，除了消除寄生光的阻擋，還能在不影響效率的情況下，提升 n⁺np⁺-Si 光電陰極的光學特性和電學特性。

　　然而，獨特的去耦方式雖提高了光電陰極的光捕獲能力，但電氣設計卻是另一個主要問題。為了實現更好的電氣設計，研究團隊使用適當的摻雜和表面鈍化層來建立級聯 n⁺np⁺-Si (如下圖d)。這種電氣設計方法提高了光生載流子的分離和轉移，從而提高了催化反應的載流子可用性。在 AM 1.5G 太陽光模擬器的照射下，評估 Si 電池的光捕獲能力。如下圖 (e) 所示，n⁺np⁺-Si 電池的開路電壓 (Voc)、短路電流密度 (Jsc) 和填充因子 (FF) 分別為 0.58 V、33.43 mA cm^-2 和 59.09%。此外，透過量子效率測量系統測量 n⁺np⁺-Si 電池的反射率和外部量子效率 (EQE)。如下圖 (f) 所示， n⁺np⁺-Si 電池 在 450-900 nm 的波長范圍內具有低反射和高 EQE (>90%)，證明其出色的光吸收和電荷載流子分離能力。