采用结构工程技术的MOCVD法和溅射法制备的GaN光阳极在光电化学氢演化反应中的比较研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Comparative study of MOCVD- and sputtered-GaN photoanodes with structural engineering for photoelectrochemical hydrogen evolution

　　

康浩宇|陈志豪|刘建豪|李明祥|陈宇斌

国立清华大学动力机械工程系，新竹市，300，台湾

摘要

氮化镓（GaN）具有宽禁带和高化学稳定性，是一种有吸引力的光电化学（PEC）水分解光阳极材料。GaN薄膜通常通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法制备，但该工艺的高成本和环境负担促使人们研究高温射频溅射作为可行的替代方案。在本研究中，我们制备了两种不同厚度的MOCVD和溅射GaN光阳极，并进一步配置了抗反射层和交错电极，以系统评估沉积技术和结构工程对PEC氢生成的影响。结果表明，两种方法制备的光阳极都能产生氢气，其中MOCVD制备的光阳极性能更优。结构工程进一步提高了光电流转换效率，MOCVD-GaN的光电流转换效率相比裸露光阳极提高了15倍，溅射GaN提高了3.9倍。

引言

光电化学（PEC）水分解可以直接由太阳光照驱动[1]，具有高能量转换效率和简单的系统配置，因此被视为一种非常有前景的绿色氢生产技术[2]。氮化镓（GaN）因其约3.3 eV的宽禁带[4]、高电子迁移率[5]和优异的化学稳定性[6]而成为PEC光阳极的关键候选材料，这些特性使得无需外加偏压即可实现水分解[7]。

GaN光阳极通常通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备，该方法可以精确控制生长温度、压力和气体流量[8]，从而获得高质量的薄膜。例如，Pal等人[9]在蓝宝石基底上制备了MOCVD-GaN薄膜，并在无偏压条件下实现了0.73%的光电转换效率。Abdullah等人[10]在蓝宝石上制备了MOCVD-GaN纳米棒，并在其表面涂覆了ZnO钝化层和CdS覆盖层，将太阳能到氢气的转换效率提高到6.4%，并将光响应扩展到可见光区域。

然而，MOCVD依赖于多种前驱体的高温化学反应，这导致了显著的环境负担和高工艺成本[11]，从而抵消了基于GaN的氢生成技术的可持续性优势。因此，人们开始关注替代的GaN薄膜沉积技术，其中高温射频（RF）溅射成为了一个重要的候选方法。Kang等人[12]在150至350°C的温度范围内通过溅射在蓝宝石基底上沉积了约250 nm厚的GaN薄膜。他们发现，提高沉积温度可以改善薄膜的电学性能和结晶度，因为更高的温度促进了原子扩散和晶格重排，从而减少了内部应力和缺陷密度[13]。Mantarci等人[14]进一步研究了RF功率对溅射GaN薄膜中缺陷形成的影响，并证明工艺参数在控制薄膜结构和质量方面起着关键作用。这些研究主要建立了高温溅射条件与GaN材料性能之间的关系，但很少有人关注溅射GaN在PEC水分解系统中的实际氢生成性能及其相对于传统MOCVD-GaN的竞争力。

因此，本研究旨在系统评估高温RF溅射和MOCVD沉积的GaN薄膜作为PEC水分解光阳极的性能。本研究调查的光阳极包括两种不同厚度的薄膜，以及具有ZnO抗反射（AR）层、交错Ti/Au电极或两者的结构配置。通过建立PEC水分解实验装置，测量了施加偏压下的光电流转换效率和氢生成速率，从而比较分析了两种沉积技术对材料性能和PEC性能的影响。在此基础上，评估了溅射GaN在PEC应用中的可行性，并阐明了结构设计与沉积技术之间的相互作用，为未来基于GaN的光阳极设计和工艺优化提供了依据。

章节摘录

沉积方法和光阳极配置

图1(a)展示了基线GaN薄膜样品的示意图。所有样品都是在650微米厚的双面抛光蓝宝石基底上制备的，其上沉积了400纳米或1000纳米厚的GaN薄膜以形成基线结构。这些样品既作为后续设计的结构平台，也作为性能比较的参考样品。GaN的生长采用了两种沉积技术。第一种是高温RF溅射，

PEC水分解装置

图6(a)展示了用于评估不同沉积方法和结构配置的GaN薄膜样品的 photocurrent density 测量装置，在紫外（UV）光照下进行测试。UV光源（L9588，Lightningcure）安装在一个光学面包板上，其输出通过透镜组件（UNI49967，Unice）准直，形成均匀的光束，从而减少光束发散，确保样品区域受到均匀照射。

结论

本研究系统比较了传统MOCVD制备的GaN光阳极与高温RF溅射制备的GaN光阳极的性能，后者是一种成本效益高且环保的替代方案，以阐明它们在PEC氢生成性能上的差异。同时，还评估了结构工程（即54.4纳米厚的ZnO AR层和Au/Ti IDEs）对两种沉积技术性能的提升作用。由于MOCVD-GaN具有更高的结晶质量，电子

CRediT作者贡献声明

康浩宇：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、数据管理。陈志豪：撰写——原始草稿、软件开发、方法论、研究、数据分析。刘建豪：撰写——审稿与编辑、资源协调、方法论、数据分析。李明祥：撰写——审稿与编辑、资源协调、方法论、数据分析。陈宇斌：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家科学技术委员会（NSTC）在项目编号#114-2223-E-007-003下的支持。作者还感谢昭和精密有限公司的Yu-Cheng Chen先生、Itagaki Katsunori先生、Kodama Akira先生和Tzu-Tung Tseng先生在GaN薄膜制备过程中的合作，包括样品制备和技术支持。作者衷心感谢他们的宝贵意见和帮助。