半透明In2S3/CdTe异质结光阳极实现无偏压光电化学水分解的突破性进展

为解决光电化学（PEC）水分解中光阳极电荷提取效率低和稳定性差的问题，研究人员设计了一种半透明Ag/Ag:In2S3/In2S3/CdTe/NiOx/TiO2/Ni异质结光阳极。通过构建欧姆接触和p-n结内建电场，该光阳极在1.23 V vs. RHE下实现了12.2 mA/cm2的光电流密度和60小时稳定性，与硅光阴极组成的无偏压串联装置太阳能-氢能（STH）转换效率达5.10%，为高效清洁能源转换提供了新策略。

　　

随着全球能源危机加剧，利用太阳能分解水制氢成为清洁能源研究的热点。然而，传统光电化学（PEC）水分解系统面临两大瓶颈：一是光阳极材料对可见光的利用率有限，二是电荷分离效率低导致能量损失严重。金属硫化物In₂S₃虽具有2.0-2.3 eV的理想带隙，但其与导电基底氟掺杂氧化锡（FTO）的肖特基势垒及固有缺陷严重制约了性能。更棘手的是，光阳极的不透明特性阻碍了串联器件中长波长光的利用，使得太阳能-氢能（STH）转换效率长期难以突破5%的理论阈值。

针对这些挑战，天津大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们创新性地设计出半透明Ag/Ag:In₂S₃/In₂S₃/CdTe/NiO_x/TiO₂/Ni多层结构光阳极，通过磁控溅射制备梯度掺杂Ag层形成欧姆接触，结合p型CdTe构建内建电场，并采用原子层沉积（ALD）生长TiO₂保护层。关键实验技术包括：X射线光电子能谱（XPS）分析元素化学态，紫外光电子能谱（UPS）测定能带结构，时间分辨荧光光谱（TRPL）量化载流子寿命，以及三电极体系测试PEC性能。

Construction of In₂S₃/CdTe photoanodes for the OER
研究发现，10 nm半透明Ag层的引入使FTO/In₂S₃界面接触电阻降低60%，而300°C退火处理使Ag颗粒聚集，透光率从42%提升至70%。通过深度剖析XPS证实Ag梯度掺杂至In₂S₃层，显著提高了载流子密度。

Construction of semi-transparent Ag/In₂S₃ ohmic contact
电化学阻抗谱（EIS）显示，含Ag结构的电荷转移电阻仅为传统结构的1/3。HRTEM显示In₂S₃沿[011]晶面生长（晶面间距0.268 nm），CdTe呈纤锌矿结构（0.374 nm）。

Formation of p-n junction for enhanced charge separation
UPS能带分析揭示，In₂S₃价带顶（-6.35 eV）与CdTe最高占据分子轨道（-5.63 eV）形成0.72 eV的能级差，驱动空穴分离。TRPL测试表明异质结使载流子寿命从6.83 ns延长至28.26 ns。

Construction of a standalone unbiased PEC tandem cell
当该光阳极与背照式硅（B-Si）光阴极（光电流29.73 mA/cm²）组成串联装置时，实际STH效率达5.03%，20小时稳定性测试中性能衰减可忽略。

这项研究通过巧妙的能带工程和界面设计，首次实现了In₂S₃基光阳极性能的突破。其创新点在于：① 采用纳米级半透明金属层解决透光率与导电性的矛盾；② 通过In₂S₃/CdTe（2.08 eV/1.53 eV）带隙匹配实现全光谱利用；③ ALD生长的TiO₂层使稳定性提升15倍。该工作为发展高效、稳定的无机PEC器件提供了新范式，对推动太阳能制氢产业化具有重要意义。