电子科技大学李严波/四川大学李阳团队Adv. Mater.: 面向太阳能水分解的半透明Ta₃N₅光阳极：双管齐下突破衬底与晶面取向限制

第一作者：张贝贝

通讯作者：李严波、李阳

通讯单位：电子科技大学、四川大学

论文DOI：10.1002/adma.75072

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近期，电子科技大学李严波和四川大学李阳团队合作，报道了基于两种协同策略构建的晶面取向半透明Ta3N5光阳极。具体而言，在石英玻璃基底上沉积同源W:Ta3N5半透明导电层，该层与Ta3N5吸收层之间具有良好的电子兼容性，并在600 nm以上波段保持较高透射率；同时，借助Pt辅助晶格匹配诱导Ta3N5沿高迁移率（023）晶面择优生长。理论计算与实验表征共同表明，该（023）择优取向有利于电荷分离与传输。优化后的光阳极在1.23 VRHE下光电流密度达9.7 mA·cm-2，最大外加偏压光电转换效率（ABPE）为3.47%。将其与四川大学李阳团队设计的特定窄带隙钙钛矿太阳能电池集成后，串联器件可在无偏压条件下实现水分解，太阳能到氢能转换效率达7.2%，为目前已报道的双光子串联光电化学水分解系统中最高效率之一。

背景介绍

开发用于太阳能水分解的Ta3N5光阳极主要面临两大挑战。其一是衬底不兼容：Ta3N5通常需要在NH3气氛下进行800-1000℃的高温氮化，而传统透明导电氧化物（如FTO和ITO）在此条件下会降解，导致界面缺陷和电荷提取受损；缺乏低成本、化学稳定且电子兼容的半透明导电衬底，极大地限制了Ta3N5光阳极的无偏压应用。其二是各向异性载流子传输：Ta3N5本征上表现出各向异性电荷传输，限制了电荷迁移方向，削弱了有效的电荷分离与提取，尤其是在半透明结构中难以实现明确的晶体取向控制。

本文亮点

针对上述问题，作者提出了双管齐下的策略：

1. 同源W：Ta3N5导电层：在石英玻璃上制备与Ta3N5吸收层化学同源的半透明W:Ta3N5导电层。该层既能承受高温氮化处理，又在长波长区域保持良好的透光性。

2. Pt辅助晶体取向控制：利用立方相Pt与正交相Ta3N5之间的晶格匹配，生长具有优先（023）取向的Mg掺杂Ta3N5吸收层。理论计算和实验均表明，该（023）取向显著降低了电子和空穴的有效质量，从而实现更高效的电荷传输与分离。

图文解析

图1表征了W:Ta3N5半透明导电层及其与Mg:Ta3N5构成的异质结的能带结构、光学透射性能、晶体结构和不同晶向下的载流子有效质量。结果表明，W:Ta3N5在石英玻璃上具有合适的电子能带和长波透光性，所得异质结呈（110）择优取向，而理论计算显示（023）晶向的电子与空穴有效质量更低，更有利于电荷传输。

图2展示了正交相Ta3N5与立方相Pt的晶体结构、Ta3N5的（023）晶面与Pt的（110）晶面的原子排列匹配关系、沿特定晶向的原子投影，以及Pt种子诱导（023）取向Ta3N5薄膜生长的机制示意图。结果表明，Ta3N5的（023）晶面与Pt的（110）晶面晶格匹配度较高，面内原子排列和面间距匹配良好，因此Pt可作为有效晶种引导Ta3N5沿高迁移率（023）方向择优生长。

图3展示了在石英玻璃基底上分别构建W:Ta3N5/Mg: Ta3N5和W:Ta3N5/Pt/Mg:Ta3N5异质结的制备流程，以及所得薄膜的XRD图谱和形貌图像。结果表明，Pt种子层的引入使Mg:Ta3N5从随机取向转变为明显的（023）择优取向，同时未造成显著光学损失，且（023）取向薄膜呈现致密、大晶粒且垂直传输方向晶界减少的形貌，有利于电荷分离与传输。

图4展示了Pt/Mg:Ta3N5模型异质结及W:Ta3N5/Pt/Mg:Ta3N5异质结的界面微观结构与元素分布。结果表明，Pt与Mg:Ta3N5界面接触紧密，无明显空洞或非晶层，Ta3N5的（023）面与Pt的（110）面晶格条纹近平行且无明显位错，证实了外延生长；在完整异质结中，Pt位于W:Ta3N5与Mg:Ta3N5之间，Ta贯穿整体而W局限于底层导电层，确认Pt种子层成功引入并引导了（023）择优取向生长。

图5展示了（110）取向与（023）取向Mg:Ta3N5/NiCoFe-Bi光阳极的光电化学水分解性能。结果表明，（023）取向光阳极在1.23 VRHE下光电流密度达了9.7 mA·cm-2，明显优于（110）取向的7.3 mA cm-2；并且其电荷转移电阻更低，体相电荷分离效率（84%）和表面电荷注入效率（92.7%）更高，可稳定运行12小时。这些结果说明（023）择优取向显著提升了半透明Ta3N5光阳极的电荷分离、传输与整体性能。

图6展示了（023）取向Mg:Ta3N5/NiCoFe-Bi光阳极与窄带隙钙钛矿太阳能电池（PSC）集成的串联器件的光伏–光电化学性能。结果表明，PSC在光阳极过滤太阳光谱后仍保持8.3 mA·cm-2的短路电流密度和0.78 V的开路电压；串联器件在电流匹配下实现5.86 mA·cm-2的工作电流密度和7.2%的无偏压STH效率，并可稳定运行12小时，该效率在已报道的双光子串联水分解体系中处于领先水平。

总结与展望

该工作凸显了在双吸收体串联体系中，前侧光阳极与后侧光伏电池之间光谱互补所起的关键作用。除了Ta3N5这一具体的体系外，本项研究还建立了一种半透明光电极的通用设计原则：将同源透明导电层与晶体取向调控相结合，以协同优化光学透射、界面电荷提取和体相载流子迁移，为发展高效、可扩展且实用的无偏压太阳能水分解器件提供了一条有前景的路径。

文献信息

Orientation-Engineered Semitransparent Ta3N5 Photoanode for Unbiased Solar Water Splitting

https://doi.org/10.1002/adma.75072

作者介绍

李严波，电子科技大学基础与前沿研究院教授，国家青年人才。2005和2007年分获上海交通大学物理学学士和硕士学位。2010年获东京大学产业机械工学博士学位，其间获“日本文部省奖学金”、中国“国家优秀自费留学生奖学金”、东京大学工学部“研究科长赏”等。2010-2014获日本学术振兴机构（JSPS）资助在东京大学从事博士后研究工作。2014-2016于美国劳伦斯-伯克利国家实验室人工光合成联合研究中心（JCAP）从事博士后研究工作。2016年回国加入电子科技大学，开展光电催化水分解相关的研究工作。近年来，以第一/通讯作者在Nat. Catal.、Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.等期刊上发表论文；主持主持国家重点研发计划课题、国家海外青年人才引进项目、国家自然科学基金面上项目等；担任Nanoscale Research Letters及电子科技学刊（JEST）副主编。

电子科技大学李严波教授课题组长期致力于光电转换材料与器件的开发与研究。具有研究方向如下：（1）半导体物理及半导体光电化学（2）薄膜及纳米材料合成（PVD、CVD、ALD）（3）光电催化分解水（4）PEM/AEM电解水（5）太阳能电池。热忱欢迎有兴趣的硕士/博士/博后加入。

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