【应用速递】Newport 太阳光模拟器用于光水解研究

【应用速递】Newport 94011A太阳光模拟器用于光水解研究

背景介绍：

铁酸铋(BiFeO₃)这类的铁电半导体，由于其固有的特点可以加速光产生载流子，使得其在太阳能转换和存储方面的应用越来越受到研究。然而，铁酸铋通常是使用复杂和昂贵的制造技术来制备的，如外延生长、射频溅射和脉冲激光沉积等技术，这些在大规模生产制造铁酸铋时成本会很高。

Antonio Tricoli课题组报告了一个简单且可伸缩的多孔铁酸铋(BiFeO₃)钙钛矿半导体，通过测试发现其光电化学性能明显提高。通过原子层沉积二氧化钛覆盖物和光辅助电沉积钴氧化物/氢氧化物辅助催化剂作用下，从原始微不足道的光电流密度显著增加到0.16 mA cm⁻²(在模拟1sun太阳辐照AM1.5G光谱下)。改进的电荷转移和电化学动力学促进了光电氧化活性的显著增强。而且，这种铁酸铋(BiFeO3)光阳极功能相比可逆氢电极将光电化学氧化起始电位从0.7 V降低到0.6 V。

实验产品：

本次实验主要用到Newport LCS-100系列小面积太阳光模拟器，91150 V 参比校准电池等。下表中涂绿部分是用到的太阳光模拟器产品主要参数:

小面积太阳光模拟器特点：

Ø 用于需要小区域光伏电池的照明研究、低成本光源、 适用于教学实验室

Ø 输出 1.0 sun、AM1.5G， 操作符合 ASTM 和 IEC 标准

Ø 紧凑设计 - 集成电源、匀化器和灯罩

Ø 连续衰减器允许调试可变太阳辐照

Ø 简单，“插入”灯组件不需要灯对齐

Ø 集成的 2 英寸滤光片支架

部分实验结果：

图1  FTO玻璃上的铁酸铋(BiFeO₃)制作原理图。(a)在FTO玻璃上沉积非晶态BiFeO_y纳米颗粒。(b)将非晶BiFeO_y在550°C退火处理成铁酸铋(BiFeO₃)。(c) TiO₂原子层沉积、700℃退火。(d) CoO_x光辅助电沉积成TiO₂修饰的铁酸铋(BiFeO₃)光电阳极。

图2  (a)无定形的BiFeO_y纳米结构。(b)结晶的BiFeO₃在550°C和700°C退火煅烧后结构。(C) BiFeO3涂在二氧化钛覆盖物上。(d)经修饰的BiFeO₃光辅助 CoO_x电沉积。

图3  (a)多种铁酸铋(BiFeO₃)光阳极在黑暗中的电流密度-电位曲线(虚线)和1sun太阳辐照AM1.5G下(实线)。(b)黑暗条件下1KHz收集的莫特-肖特曲线图。(c)1sun太阳辐照AM1.5G下等效电路的模拟曲线。(d)实时测试的光电流曲线图。所有的测试都是在1 M氢氧化钠溶液下进行。

总结：

Antonio Tricoli课题组采用火焰喷雾热解法制备了铁酸铋(BiFeO₃)光阳极，这是一种快速、可扩展的制备技术，生产速度不局限于每小时几公斤。实验证明，经修饰的铁酸铋(BiFeO₃)光阳极不受其电荷分离效率和表面动力学的不利限制。

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[1]Antonio Tricoli, Alexandr N. Simonov, Joel W. Ager, et al. 2020. Enhancement of the photoelectrochemical water splitting by perovskite BiFeO₃ via interfacial engineering. Sol. Energy 202, 198–203.

[2]Abdalla, A., Khan, I., Sohail, M., Qurashi, A., 2019. Au/Ga2O3/ZnO heterostructure norods arrays for effective photoelectrochemical water splitting. Sol. Energy 181, 333–338.

[3]Ali, S., Khan, I., Khan, S.A., Sohail, M., Yamani, Z.H., Morsy, M.A., Qamaruddin, M., 2017. Plasmon aided (BiVO4)x–(TiO2)1–x ternary nanocomposites for efficient solar water splitting. Sol. Energy 155, 770–780.

[4]Basu, S.R., Martin, L.W., Chu, Y.H., Gajek, M., Ramesh, R., Rai, R.C., Xu, X., Musfeldt, J.L., 2008. Photoconductivity in BiFeO3 thin films. Appl. Phys. Lett. 92, 091905.