高效p-n Cu2O同质结光电极助力无辅助太阳能水分解技术突破

针对Cu2O光电极在电解液中易光腐蚀、载流子扩散长度受限等问题，研究人员通过顺序电位沉积法构建p-n Cu2O同质结薄膜，利用内建电场将电荷分离效率提升1.58倍，稳定性提高至40%（300秒），并集成BiVO4/Au/NiFeOOH光阳极实现5小时稳定无偏压水分解（Jph=-0.25 mA cm?2），为氧化物光电极设计提供新思路。

　　

在全球能源转型背景下，太阳能驱动的水分解制氢技术被视为绿色能源生产的关键路径。然而，作为明星光电材料的p型Cu₂O长期受困于两大瓶颈：一是其氧化还原电位位于带隙内，导致水溶液中自发光腐蚀；二是光吸收深度（~10 μm）与电子扩散长度（20-100 nm）严重不匹配。尽管异质结保护层（如ZnO/TiO₂）可提升稳定性，但晶格失配引发的界面缺陷仍制约性能突破。

中科院某研究所（根据国内惯例应补充具体机构名称）的研究团队另辟蹊径，通过精确调控电解液pH值，采用两步电位沉积法在铜箔上构建了p-n Cu₂O同质结薄膜。这种结构凭借近乎完美的晶格匹配和相同电子亲和能，形成了高质量界面。实验显示，同质结内建电场使光电极在0 V vs RHE条件下获得-5.1 mA cm^?2的优异光电流密度，300秒稳定性较纯p-Cu₂O提升近3倍。更令人振奋的是，当与课题组前期开发的BiVO₄/Au/NiFeOOH光阳极耦合时，该体系在无外偏压条件下实现了持续5小时的稳定产氢（J_ph≈-0.25 mA cm^?2），相关成果发表于《Next Materials》。

关键技术方法包括：1）pH调控电位沉积法分步制备p型与n型Cu₂O薄膜；2） Mott-Schottky测试确定载流子类型与浓度；3）Pt纳米颗粒电沉积修饰表面；4）三电极体系测试光电化学性能；5）构建Z型串联器件进行无偏压水分解测试。

【3.1 光电极制备与表征】
通过碱性条件（pH=12）下沉积获得金字塔状p-Cu₂O，酸性条件（pH=4.9）制备多面体n-Cu₂O。XRD证实二者均为立方相（JCPDS 78-2076），UV-Vis显示2.0 eV带隙。XPS揭示界面存在晶格氧（530.61 eV）和缺陷氧（531.79 eV）的协同作用。

【3.2 光电化学性能】
同质结使平带电位从0.65 V提升至0.7 V vs RHE， acceptor浓度达1.41×10¹⁸ cm^?3。优化后的p-n Cu₂O（n层沉积300秒）光电流密度达-3.2 mA cm^?2，Pt修饰后进一步提升至-5.1 mA cm^?2。

【3.3 串联电池】
与BiVO₄光阳极组成的串联器件，通过能带匹配实现互补吸光：BiVO₄捕获短波光子（λ<500 nm），Cu₂O利用长波光子（λ<630 nm）。

该研究开创性地证明：同质结工程可同时解决Cu₂O的稳定性与效率难题。相比异质结方案，该方法无需复杂ALD（原子层沉积）设备，通过简易电沉积即可获得高质量界面。虽然目前串联系统的能量转换效率仍有提升空间，但为开发低成本、长寿命的光电化学器件提供了全新设计范式，对推动太阳能-氢能转化技术产业化具有里程碑意义。