近日，我校微電子學(xué)院孫海定教授iGaN實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心熊宇杰教授團(tuán)隊(duì)、武漢大學(xué)劉勝院士團(tuán)隊(duì)，在光電化學(xué)制氫領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種晶圓級可制造的新型硅基氮化鎵納米線光電極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)10.36%的半電池太陽能制氫效率，并在高電流密度下穩(wěn)定產(chǎn)氫超過800小時(shí)（首次將光電極壽命從小于100小時(shí)的“小時(shí)級”推進(jìn)至“月級”），成功突破傳統(tǒng)光電制氫裝置在效率和可靠性上的瓶頸，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為下一步規(guī)?；茪鋺?yīng)用打下基礎(chǔ)。該成果以“Enhanced solar hydrogen production via reconfigured semi-polar facet/cocatalyst heterointerfaces in GaN/Si photocathodes”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。

光電化學(xué)（PEC）水分解是一種通過陽光和水直接轉(zhuǎn)化為綠色氫氣的技術(shù)，因其環(huán)保且可持續(xù)的特點(diǎn)，已成為清潔能源領(lǐng)域的重要研究方向。在PEC水分解中，光電極的催化活性和長期穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)高效、可靠氫氣生產(chǎn)的關(guān)鍵。然而，許多傳統(tǒng)光電極材料（如硅、金屬氧化物等）易發(fā)生光腐蝕與化學(xué)腐蝕，且助催化劑與半導(dǎo)體界面結(jié)合弱導(dǎo)致助催化劑脫落與催化活性衰減，從而限制了光電極的長期耐久性。

針對這一挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種可大規(guī)模生產(chǎn)的新型一維/三維異質(zhì)異構(gòu)的光電極結(jié)構(gòu)，由一維氮化鎵（GaN）納米線陣列和三維硅太陽能電池襯底構(gòu)成，并首次通過GaN極性晶面重構(gòu)策略，通過簡單的堿性刻蝕策略暴露出氮化鎵內(nèi)部的（10-1-1）晶面，加載金納米顆粒作為助催化劑以此構(gòu)筑新型的助催化劑/半導(dǎo)體界面，在原子尺度上實(shí)現(xiàn)氮化物半導(dǎo)體與助催化劑的電子耦合。

圖1.a)晶圓級的氮化鎵納米線/硅太陽能電池光電極結(jié)構(gòu)示意圖及氮化鎵納米線的堿性蝕刻晶面重構(gòu)工藝；b-e)重構(gòu)氮化鎵納米線(10-1-1)晶面/金納米顆粒界面的電鏡表征

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)印證了這一突破性設(shè)計(jì)的優(yōu)勢：器件在AM1.5 G光照射下獲得10.36%的半電池太陽能制氫效率（HC-STH），而且在高電流密度下穩(wěn)定產(chǎn)氫超過800小時(shí)，首次將光電極壽命從“小時(shí)級”（傳統(tǒng)光電極架構(gòu)普遍壽命<100小時(shí)）推進(jìn)至“月級”（按日均光照6小時(shí)計(jì)）。這一顯著提升的性能，主要得益于氮化鎵（10-1-1）晶面與金納米顆粒之間的強(qiáng)耦合作用，不僅優(yōu)化了金納米顆粒的電子結(jié)構(gòu)，提高了氫吸附自由能，進(jìn)而增強(qiáng)了析氫反應(yīng)的催化活性，同時(shí)還提高了氮化鎵納米線表面對金納米顆粒的錨定能力，防止了反應(yīng)過程中金納米顆粒的脫落，避免催化活性衰減。

圖2.晶圓級新型GaN/Si光電極光電化學(xué)制氫活性和穩(wěn)定性評估

這項(xiàng)研究有效解決了傳統(tǒng)三五族化合物半導(dǎo)體（如氮化物等）與助催化劑界面結(jié)合弱的共性難題，為改善三五族化合物半導(dǎo)體/助催化劑界面提供了一條簡單有效的途徑。所提出的晶面-催化劑界面調(diào)控策略顯著提升了光電極的催化活性和長期穩(wěn)定性，且可拓展至其他化合物半導(dǎo)體（如InGaN等）及催化反應(yīng)體系（如二氧化碳還原、氮還原等新興研究領(lǐng)域），為氮化物半導(dǎo)體在人工光合反應(yīng)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，有望在能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

此項(xiàng)研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科大“雙一流”建設(shè)經(jīng)費(fèi)等專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的資助，也得到中國科大微電子學(xué)院、中國科大微納研究與制造中心，中國科大理化實(shí)驗(yàn)中心和國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的支持。我校孫海定教授為論文通訊作者，博士生陳煒、汪丹浩博士為論文的共同第一作者。我校熊宇杰教授、龍冉教授、胡偉教授、閆文盛教授和康一教授、左成杰教授、程林教授參與了項(xiàng)目的聯(lián)合攻關(guān)并提供資金支持，墨西哥Solarever公司為項(xiàng)目提供了高效的太陽能電池襯底，劉勝院士為本項(xiàng)目的順利展開提供了重要設(shè)備支撐并全程指導(dǎo)。