光氢转化中的热载流子及其作用机制

Hot carrier is the basic energy transfer medium between photon energy, electric energy and chemical energy. More and more researches have paid increasing attention to the solar energy conversion theory based on hot carrier, which is of great significance to develop the eco-friendly “solar-to-hydrogen” technology. .In order to increase the energy conversion efficiency of solar-to-hydrogen, the project will focus on the hot electron induced by the surface plasmon resonance in the metallic micro/nano-structures. The metal-semiconductor composites with the optimized structure which is beneficial for the formation and transfer of the hot electrons will be innovatively built by a serious of metal-semiconductor interface engineering and the controlled preparation of nano-sized metal particles with different size, morphology and distribution. Furthermore, the predictive model of hot carrier device in photoelectrochemical hydrogen production system will be innovatively developed. The action mechanism and the effects of hot carrier on the solar-to-hydrogen conversion will be analyzed by characterizing the relaxation and transferring processes of hot carrier and evaluating the performances of hydrogen production in photoelectrochemical water splitting system. .The aim of project is to reveal the energy transfer mechanism of hot carrier excited by the solar energy in micro/nano scale and the specific interface. Accordingly, an effective way to solve the key academic problem will be achieved to enhance light harvesting and ultimately solar power conversion efficiency in artificial photosynthetic hydrogen production system. This will provide a new opportunity to develop the new design strategies for energy conversion devices and, potentially, achieve the scientific breakthroughs needed to implement solar-to-hydrogen energy conversion on a massive scale.

热载流子是光能、电能和化学能之间转换的能量载子，研究太阳能转换过程中热载流子的能量传递理论，对于发展环境友好的“太阳-氢”能源技术具有重要的意义。为了提高光-氢转换效率，本项目着眼于金属纳米粒子表面等离子体激元产生的热电子，（1）通过系列金属-半导体界面工程和对金属粒径、形貌和分布的调控，提高热电子的产生效率和寿命，创新构建更有利于生成和传输热电子的金属-半导体复合结构和发展适于光氢转换体系的热载流子器件的预测模型；（2）通过对光致热电子弛豫和传递过程的表征分析和对光电分解水制氢性能的测试评价，探讨热电子对光电制氢性能的影响及其作用机制，以期揭示在微纳界面效应下光致热载流子的能量传递机理，并解决如何达到在人工仿生制氢转化过程中有效吸收光能与有效电荷利用的协调统一的关键科学问题，进一步为高效能量转换器件的设计和大规模“太阳-氢”技术转化平台的建设提供有利可行的创新途径和理论。

热载流子是光能、电能和化学能之间转换的能量载子，为发展环境友好的“太阳-氢”能源技术，本项目着眼于金属纳米粒子表面等离激元产生的热电子，基于金属-半导体复合结构的构建研究光氢体系中热电子的特性和作用机制。研究成果包括：（1）采用量子力学的近自由电子模型，计算获得了等离激元金属热电子的能量分布、产率、注入率和注入效率与金属种类、粒子几何参数和外部电介质TiO2、SiO2的变化关系，为热电子器件理想构型提供了理论依据。（2）将COMSOL软件中的电磁场与半导体域耦合以提供电子跃迁的光源条件，创新通过可视化表征Ag@SiO2-TiO2模型的界面电流流动和电子、空穴浓度变化，优化了阻隔热电子回流的SiO2壳厚并验证了2nm SiO2壳对热电子传输的促进作用。（3）创新在多物理场耦合中应用WKB模型，可视化表征和证实了Ag/SiO2/TiO2分层结构中高能态和低能态热电子在SiO2层的快速定向隧穿以有效提高热电子利用率。（4）创新利用时域电场可视化电子弛豫的动态变化预测了共振能传递作用机制，并通过构建AgCu/TiO2 NP/NT阵列热电子器件实现热电子注入、共振能传递和近场增强的协同作用，同时揭示了等离激元Cu为电子转移站和能量转运站的双重身份。（5）创新利用rGO嵌入基体纳米管阵列增强了光吸收性能及热电子特性，解决了热电子器件中等离激元金属纳米粒子做为光学天线的同时引起的光散射问题。（6）完成了系列不同金属-半导体复合结构热电子器件的构建和多元表征分析，其中Ag/SiO2/TiO2纳米碗阵列分层结构和AgCu/TiO2 NP/NT-rGO阵列结构具有相对更优的热电子生成和传输特性，其光氢转换效率相对基体分别提高118%和121%。（7）提出了集“光电分解水实验、分子动力学模拟和界面数学物理模型”于一体的界面特性研究策略，完整描述了亥姆霍兹层电势降及其宽度影响等离激元金属热电子器件界面特性的微观机制。