太阳能转换效率是衡量光电催化分解水过程中的主要参数,是反映光电催化分解水体系性能的重要参数。目前,入射光子数-电流转化效率(Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency,IPCE)是光电催化分解水体系主要四种表示方式的一种。IPCE可看作分析诊断效率,可提供影响光电极反应效率因素的信息[1]。
光电催化三电极反应体系中,IPCE用于表征材料的光电极反应效率与光功率、波长及电极电势的关系。
图1 光电催化三电极反应体系
◆定义及计算公式
IPCE定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比,计算公式如下:
I:外电路电流值(A)
h:普朗克常量(6.62×10-34 J·s)
c:光速(3.0×108 m/s)
e:单个电子带电量(1.6×10-19 C)
E:电极所受到的光功率(W)
λ:入射光波长(m)
简化后得:
特别注意:
①E是电极所受到的光功率,单位为W,在AQY和STH的计算中使用的是光功率密度,单位为mW/cm2。
②当光斑大小与电极尺寸大小一致时,无需考虑光斑不均匀的问题,但如果是使用氙灯等光斑不均匀的光源时,需要计算光斑的平均光功率。关于不均匀光斑的光功率密度测量,后续会进行单独介绍。
◆测量方法 由公式(2)可知,IPCE的计算需要确认外电路电流值I、电极所受到的光功率E和入射光波长λ。
①外电路电流值I 在光照条件下,光电极材料受光照后会产生光生电流,通过电化学工作站可以测得不同电势下的光生电流值。因电极材料本身为导体/半导体,故在非受光条件下电流并不为零,即I暗0,为保证测量的准确性,当暗电流较大时,需进行基底扣除,即在同一电势下,测定光电流与暗电流,然后进行基底扣除。即I=I光-I暗。
②电极所受到的光功率E、入射光波长λ 为保证计算准确,应选择窄带波光源,即FWHM≤10 nm半波带宽(Full Width at half Maxima,FWHM)[2]建议选择单激光光源或单波长LED光源。
图2. 氙灯光源配合带通405 nm滤光片和405 nm激光器的光谱图
[1] 李灿, 太阳能转化科学与技术[M]. 北京,北京科学出版社, 2020: 148
[2] 西安交通大学. GB/T 26915-2011太阳能光催化分解水制氢体系的能量转换效率与量子效率计算[S]. 北京: 中国标准出版社,2012: 3
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