光电化学（PEC）分解水是一种将水在太阳光下转化为氢气和氧气的方法，这种方法在可再生能源领域发挥着重要作用。然而，目前报道的光电极的光电流与实际应用中的需求相距甚远，主要是由电荷复合高、光吸收效率低等原因导致。铁电材料作为一种特殊的半导体，由于材料的自发极化产生的内部电场能促进电子-空穴对的分离，减少载流子复合而受到人们的广泛关注。同时，由于铁电材料的异常光伏效应，器件的光伏电压不受晶体带隙（Eg）的限制，有文献报道，电极间距200 μm时，铁电材料BiFeO3（BFO）可产生16 V以上的开路电压（BFO的禁带宽度仅有2.3 eV），因此在理论上具有较高的电荷分离效率。虽然BFO可以在PEC系统中作为光电极材料，但是由于其材料本身固有的特征，BFO的总体PEC活性相对于工业应用来说仍然太低。

近日，江苏大学曹大威教授课题组在FTO玻璃上沉积Au薄膜作为缓冲层，制备了高效的FTO/Au/BFO光电极。他们在该工作中系统研究了Au缓冲层对BFO性能的影响，结果表明，与纯BFO光电极相比，Au/BFO光电极在可见光照射下的电荷分离效率有了显著地提高。此外，通过详细分析不同方向极化电场对电荷转移的影响，证实内建电场方向相一致的铁电极化电场（Ep）能有效分离光电极中的电子-空穴对，减少载流子复合的概率，进而可以更进一步地提高Au/BFO光电极的PEC性能。与纯BFO光电极相比，正向极化后的Au/BFO光电极的光电流密度从-11.2 μA /cm2提高到-77.3 μA/cm2，达到了将近7倍的提升。

Au缓冲层的引入增强了铁电薄膜的电荷分离，为高性能光电极的设计提供了更广泛的空间，对促进铁电材料在工业领域的应用起到了积极的作用。

该文章以题为“Enhancement of photoelectrochemical performance in ferroelectric films via the introduction of Au buffer layer”发表在Journal of Semiconductors。(J. Semicond., 2021, 42(11): 112701. doi: 10.1088/1674-4926/42/11/112701.)

图1. BFO光电极（黑色）和Au/BFO光电极（红色）的（a）J-t曲线、（b）IPCE曲线、（c）电荷分离效率曲线；（d）在-0.4 V vs Ag/AgCl条件下，Au/BFO光电极（红色）和Au/BFO光电极正向极化（绿色）或负向极化（蓝色）的光电流密度。

图2.（a）FTO、Au和BFO的功函数示意图；（b）FTO/BFO和（c）FTO/Au/BFO的电荷转移机制图；Au/BFO光电极在（d）无极化、（e）正向极化和（f）负向极化下的光生电荷转移机制。

Enhancement of photoelectrochemical performance in ferroelectric films via the introduction of an Au buffer layer

Dawei Cao, Ming Li, Jianfei Zhu, Yanfang He, Tong Chen, Yuan Liu, Mingming Chen, Ying Yang

J. Semicond. 2021, 42(11): 112701

doi: 10.1088/1674-4926/42/11/112701

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/11/112701?pageType=en

来源：半导体学报2021年第11期中文导读