用于人工光合作用的氮化镓基光电化学器件研究

Artifical photosynthesis is an effective way to solve environmental pollution problem using solar energy to convert water to hydrogen, decompose organic pollutants and reduce carbon dioxide (CO2). As one of the few suitable materials, the band energy levels of GaN meet the requirements for both CO2 reduction and H2O oxidation simultaneously, which makes it a high prospective candidate for hydrogen production and CO2 emission reduction. The aim of this project is to develop efficient GaN based photo-electrochemical device. The photo-electrode (PE) of this device is a tandem photo-electrode (TPE), which basically consists of photo-absorption layer on n-type GaN substrate and CIGS thin film solar cell. The stable photo-electrochemical devices will be realized based on InGaN-CIGS TPE which is functional under full solar spectrum with proper current matching. To this end, some key technical problems will be solved such as the design of InGaN-CIGS TPE, preparation of high quality absorption layer of InGaN, GaN based PE and CIGS thin film solar cell bonding interface technology. The final devices will be achieved to transfer CO2 into HCOOH through high efficient artifical photosynthesis. The proposed work is desired to show significant impacts on the reduction of carbon dioxide emissions and the development of new energy.

人工光合作用是利用绿色的太阳能来分解水产氢、降解有机污染物和还原二氧化碳，解决环境污染问题的一种有效方法。GaN是为数不多可同时满足CO2还原和H2O氧化条件的光催化材料，其在光制氢和CO2减排方面有着巨大的应用前景。本项目以高效GaN基光电化学器件的研制为目标，利用CIGS材料极高的光吸收系数及带隙可调的性质，设计InGaN-CIGS串行结构作为光电极，通过解决InGaN-CIGS串行结构的设计、高质量吸收层InGaN材料的制备，GaN基光电极与CIGS薄膜电池键合界面工艺等关键问题，制备光谱利用率高、电流匹配并且稳定性好的InGaN-CIGS串行光电极结构的光电化学器件，实现CO2转化为HCOOH等有机物的高效人工光合作用。项目的顺利开展，对减少二氧化碳排放以及新能源的开发利用具有非常重要的意义。

人工光合作用是利用绿色的太阳能来分解水产氢、降解有机污染物和还原二氧化碳，解决环境污染问题的一种有效方法。GaN是为数不多可同时满足CO2还原和H2O氧化条件的光催化材料，其在光制氢和CO2减排方面有着巨大的应用前景。.本项目以基于GaN基光电化学器件的高效人工光合作用系统为目标，研究高质量InGaN-CIGS串行结构的光电极的设计和制备，包括GaN基光电极的结构设计、材料生长、器件制备以及它和CIGS薄膜太阳电池的晶片串联技术，重点攻克高效GaN基光电极的结构设计和制备、GaN基光电极和CIGS薄膜太阳电池串行结构的光电流匹配、可见光谱分配、高性能串联界面以及光电化学系统的优化等技术。最终实现将CO2转化为可利用有机物的高效人工光合作用技术，推动此技术在新能源开发利用及CO2相关环境问题治理方面的应用。通过项目研究发现高In组分InxGa1-xN/GaN电极还原性能优于低In组分，In含量为9%效果最佳；NiO助催化剂的负载将会提高电子空穴对的分离速度，加快还原与氧化反应的速率，提升电极的稳定性；GaN/CIGS串联光阳极的使用将大幅度提升还原反应效率，尤其CO产物的产量提升近100%。.本项目的研究，实现了CO2转化为可利用有机物的高效人工光合作用。人工光合作用可以利用取之不尽的太阳能、地球上比较丰富的水、大量累积的温室气体——二氧化碳(CO2)——把氢储存到碳氢化合 物中的同时产生氧气。它可以充分利用太阳能实现绿色能源——氢——的循环利用，替代化石燃料，降低温室气体的堆积，这对全球新能源开发和环境治理有重要的意义。项目的顺利完成，对减少二氧化碳排放以及新能源的开发利用具有非常重要的意义。