能量存儲的挑戰和可能性?？?/span>

對可再生能源的利用是滿足現代社會不斷增長的能源需求的最終途徑。如何以不同方式有效地存儲和利用能源是當前學術界研究的熱點問題。其中，太陽能水分解、光催化和鋰硫電池具有廣闊的應用前景。這類研究將為能源的工業生產、存儲和應用提供策略。

《半導體學報》組織了一期“能量存儲的挑戰和可能性”?？⒀埩酥袊茖W院半導體研究所趙超博士和王智杰研究員、南京大學物理學院舒大軍教授和德國伊爾梅瑙工業大學雷勇教授共同擔任特約編輯。該?？延?020年第9期正式出版并可在線閱讀，歡迎關注。

本?？瑏碜砸翣柮疯ЧI大學、蘇州大學、中國科學院半導體研究所、西湖大學、華中科技大學、北京交通大學、南京大學等單位的共9篇綜述論文、1篇研究論文和1篇專家視點，介紹了國內外在該領域的最新進展。德國伊爾梅瑙工業大學雷勇教授的原創研究論文“高粗糙表面的碳納米纖維膜用于高性能鋰硫電池中間層”，蘇州大學康振輝教授的綜述論文“傳統量子點和新興量子點之間的橋梁—I-III-VI量子點的光電和光催化性能”，中國科學院半導體研究所王智杰研究員的綜述論文“改性氧化鋅在高效光電催化分解水體系中的應用”，以及南京大學舒大軍教授的綜述論文“二氧化鈦催化性質的應變調控”詳細介紹了能源存儲方面的挑戰和可能性等。

我們相信本?？瘜龠M學術交流，為對這一主題感興趣的學術界和工業界研究人員架起橋梁！我們也歡迎該領域的潛在作者將他們的研究成果發表在《半導體學報》！

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綜述文章

1.

傳統量子點和新興量子點之間的橋梁——I-III-VI量子點的光電和光催化性能

近40年來，量子點的研究持續成為納米科學的熱門話題，量子點家族的規模和科學內涵也在不斷擴大，顯示出驚人的發展活力。傳統量子點主要關注含重金屬的II-VI和IV-VI半導體。環境友好型I-III-VI (I =Cu、Ag; III = Ga, In;) 材料作為量子點家族的一個重要子集，越來越受到人們的關注，可用于生物成像、發光二極管和光催化等領域。這些多元硫族化物的組成可以在很大范圍內進行調整，同時陰離子骨架保持穩定，帶來了優異的光學和電學性能控制能力。更重要的是，I-III-VI量子點與傳統II-VI量子點更像是近親，在根源和研究方法上有著天然的相似性，也從II-VI 量子點中獲得了很多經驗和啟示。對于新近出現的量子點，比如碳量子點，與II-VI量子點相比，在結構和性質上有很大的差距，也帶來了更多的研究挑戰，I-III-VI量子點則為此提供了重要的橋梁紐帶作用。

江蘇大學毛寶東教授課題組和蘇州大學康振輝教授、劉陽教授課題組針對目前的狀況總結了I-III-VI量子點和碳量子點等新興材料。首先，對I-III-VI量子點作了簡要的介紹，重點論述了它們的光電和光催化性能，并與傳統量子點作了系統的比較，簡要闡述了它們在整個量子點家族中的重要橋梁作用。其次，重點說明了I-III-VI量子點在光催化劑設計中的各種策略及其與傳統量子點光催化劑的對比、優勢及不足。最后，通過對量子點和碳量子點在組成、結構、合成化學、熒光機制和應用等方面探討了其和I-III-VI量子點的橋梁作用。

圖1. I-III-VI量子點作為量子點家族中傳統和新興材料間的橋梁紐帶作用示意圖。

由于尺寸和成分的變化，I-III-VI量子點顯示出最寬的可調諧光學特性。這些材料還表現出特殊的特性，包括更長的激發態壽命、更寬的發光峰、更大的斯托克斯位移以及簡單經濟的合成。計算結果與實驗表明，I-III-VI量子點通過調整其成分和大小，幾乎可以覆蓋從紫外光到近紅外光的光譜范圍。Omata等計算了不同成分的I-III-VI黃銅礦量子點的尺寸依賴光學帶隙。

圖2. I-III-VI量子點的帶隙調控：理論計算和實驗結果。

傳統量子點，I-III-VI量子點和碳量子點在生物學、器件和催化等許多領域發揮著關鍵作用。在這些應用中，光催化作為潛在的解決環境和能源問題的關鍵，是最突出和最廣泛的研究領域。通過深入研究量子點各種性質可以更好的解決眾多領域的關鍵難點。并且，充分的研究I-III-VI量子點可以有效的為新興量子點提供了一個重要的過渡橋梁，這對更好地了解其新的光電特性、挑戰和發展過程有著重要的意義。

Optoelectronic and photocatalytic properties of I–III–VI QDs: Bridging between traditional and emerging new QDs

Yanhong Liu, Fenghua Li, Hui Huang, Baodong Mao, Yang Liu, Zhenhui Kang

J. Semicond. 2020, 41(9): 091701

doi: 10.1088/1674-4926/41/9/091701

2.

改性氧化鋅在高效光電催化分解水體系中的應用

太陽能和氫能是應對能源與環境危機的最具潛力的兩種清潔、可持續的新型能源。太陽能分解水是一種同時實現太陽能的吸收轉換和氫氣生產的有前景的策略。目前，主要通過光催化和光電催化兩種手段實現光解水，不同于前者的僅以光為驅動力，光電催化在體系中引入了外加偏壓，PEC體系有望解決光催化劑電子空穴對復合概率高、表觀量子產率低、太陽能轉換效率低等問題。高效的光電催化體系的關鍵是制備低成本、穩定、光電轉換效率高的光電極。為了實現高效產氫，在以貴金屬鉑（Pt）為光電陰極的前提下，制備吸光性能與光生電子-空穴對的分離能力優異的光陽極至關重要。

第三代直接帶隙半導體氧化鋅（ZnO）因其合適的能帶結構、較高的電子遷移率及光催化效率、成本低廉以及環境友好的優勢，被廣泛用作光陽極。但是，ZnO也面臨著光生載流子復合較為嚴重，表面催化反應動力學不足，可見光響應度較低，以及存在固有的光腐蝕等問題的制約，這些問題也限制了其作為光陽極在分解水產氫中的實際應用。結合光陽極在光解水過程中載流子的運輸機制（如圖1所示），應從提高ZnO的可見光響應范圍、光生電子-空穴對分離效率、表面催化反應動力學等幾個方面對其進行改性，從而構建基于ZnO的高效光陽極。

圖1. 2D單元素材料實驗或理論（Th.）發現的時間線及碲的塊體和2D結構。

中國科學院半導體研究所王智杰研究員等主要對部分ZnO納米結構的改性手段及已有的相關研究成果進行梳理，詳細闡述了形貌控制、元素摻雜、異質結構的構建、壓電效應對ZnO光催化性能調控的作用。具體如下：

首先，形貌控制是研究材料體系過程中最常用的手段，控制ZnO納米材料形貌的目的主要是為了增加光陽極半導體材料與電解液的接觸面積或改變光陽極的表面粗糙度，從而暴露更多的反應位點，減少載流子遷移距離。采用多種沉積方法、物理或化學合成方法能夠制備多種維度、多種形貌的ZnO材料。低維納米ZnO具有更短的載流子遷移路徑、更快的載流子遷移速率和更大的表面積，特別是一維的ZnO納米陣列結構被廣泛應用于光陽極。ZnO一維納米陣列的少晶界為電子運輸提供了良好的路徑，另外，光在陣列間的散射提高了入射光吸收率。

其次，元素摻雜可以改變基體的載流子濃度、改變原晶格類型、形成缺陷能級。在ZnO中摻入其他元素，可以調整其能級結構及分布，影響載流子的遷移，從而調控其光電催化的性能。摻雜引起費米能級的改變還可能減小ZnO的帶隙，從而提高其可見光響應。

再次，構建能級匹配的異質結構對于高效光陽極的構建也是行之有效的策略。II型異質結、Z體系異質結、p-n結等都可以通過調節載流子的定向輸運抑制電子-空穴對的復合，窄帶隙量子點的敏化作用可以幫助提高可見光響應，貴金屬納米顆粒由于其表面等離子體共振效應（SPR）也可以通過向ZnO注入熱電子提高ZnO的催化性能，另外，與鈍化層或者助催化劑形成異質結也是常用的改性策略。

最后，氧化鋅的纖鋅礦結構具有本征的壓電效應，向纖鋅礦氧化鋅施加外加力，ZnO產生的壓電勢能夠進一步調節半導體內部的電子或空穴分離和輸運，繼而對能級結構進行重排，影響光電催化性能。

雖然已開發了大量應用于ZnO光陽極的改性策略，但其太陽能向氫能的轉換效率仍然較低，這也限制了其向光解水制氫的產業化應用。因此，進一步的研究和開發更有效的改性策略仍然是必要的，本文歸納了構建基于ZnO高效光解水體系的未來研究方向。具體可以從以下幾方面開展工作：

(1) 多異質結的設計與構建，增強可見光吸收和電子-空穴對分離;

(2) 各種一維ZnO納米陣列結構的制備與應用;

(3) 利用壓電效應增強光生載流子的分離;

(4)對ZnO的一維結構進行徑向梯度元素摻雜，改變ZnO的能帶結構。

Engineering the photoelectrochemical behaviors of ZnO for efficient solar water splitting

Mengmeng Ma, Yanbin Huang, Jun Liu, Kong Liu, Zhijie Wang, Chao Zhao, Shengchun Qu, Zhanguo Wang

J. Semicond. 2020, 41(9): 091702

doi: 10.1088/1674-4926/41/9/091702

3.

二氧化鈦催化性質的應變調控

二氧化鈦是一種被廣泛使用的催化材料，其在太陽能異質結構中也有著同樣重要的應用價值。近年來大量研究工作致力于研究二氧化鈦表面活性機制，并試圖通過表面改性等化學方式調控其催化活性。

作為一種典型的過渡金屬氧化物，二氧化鈦在實驗過程中容易形成表面氧空位缺陷，極大地影響二氧化鈦表面活性性質。與此同時，由于晶格失配和表面缺陷等原因，材料中也容易引入均勻應變和局域應變。如果能夠利用應變與表面的相互作用，對二氧化鈦的表面催化性能進行調控，將避免化學方法引入的摻雜等問題。

南京大學舒大軍教授課題組總結了該課題組十余年以來在二氧化鈦表面性質與應變之間的相互作用方面開展的系統研究。通過第一性原理的方法以及連續介質彈性力學的相關理論知識，他們發現外應變可以通過影響表面缺陷、表面面積比和表面反應過程等，對二氧化鈦表面性質進行調控。由于二氧化鈦獨特的彈性性質，在對其施加合適的應變時，體系的催化性質會得到一定的增強。二氧化鈦的A2u軟模頻率在應變下有變為0的趨勢，這意味著外應變有可能誘導二氧化鈦的鐵電相變，對表面吸附和催化性質產生進一步的影響。該綜述工作對于相關的研究領域的研究可望帶來新的思路。

Regulation of surface properties of photocatalysis material TiO2by strain engineering

Jian Zheng, Dajun Shu

J. Semicond. 2020, 41(9): 091703

doi: 10.1088/1674-4926/41/9/091703

4.

鋅離子電池中有機電極材料的研究進展

有機鋅離子電池是近年來一種新興的可充電儲能器件。由于其結合了鋅金屬（低成本，安全以及小的離子半徑）和有機電極（柔性，綠色且具有可設計的分子結構）的兩大優勢，有機鋅離子電池被認為是傳統無機鋰離子電池的潛在替代品，并且吸引了廣泛的關注。有機電極在鋅離子電池中展現出了良好的電化學性能，但是相關研究仍處于初期，而且其發展受到許多問題的制約。

鑒于此，為了洞察并指導有機鋅離子電池的發展，華中科技大學王成亮教授課題組總結了近年來用于鋅離子電池的有機電極的研究進展，并且指出了其中存在的問題和挑戰，提出了針對性的有希望的解決方案，最后對有機鋅離子電池的發展做出了展望。

（1）許多有機材料尤其是小分子材料會在電解液中溶解，導致電池容量衰減。針對這個問題，將小分子材料聚合、采用功能性選擇透過隔膜、與不溶的碳材料復合或者使用固態電解液等策略均可以一定程度上抑制有機材料的溶解，從而改善電池循環性能。

（2）鋅離子電池中有機電極材料的儲能機理尚不明確，許多電極材料在放電過程中，不僅可以結合鋅離子，還可以結合水合鋅離子或氫離子。為了指導鋅離子電池的進一步發展，本文梳理了鋅離子電池中有機電極材料的儲能機理。

（3）有機電極材料的容量和電壓還有待提升，其中針對性的分子設計是一種有效的方法。

圖1. 鋅離子電池中基于羰基的有機電極材料。

圖2. 鋅離子電池中基于導電聚合物的有機電極材料。

Recent progress in organic electrodes for zinc-ion batteries

Shuaifei Xu, Mingxuan Sun, Qian Wang, Chengliang Wang

J. Semicond. 2020, 41(9): 091704

doi: 10.1088/1674-4926/41/9/091704

5.

用于水分解和二氧化碳電還原的納米結構雙金屬電催化劑的研究進展

為了地球生態環境可持續發展，可再生能源的開發及過度碳排放的有害影響的消除，得到了世界各國的關注。為了解決這些問題，能量轉換技術，例如水分解和二氧化碳電還原，引起了人們的極大關注。然而，目前綠色燃料或氫、甲烷、乙醇等高能量密度化學品的生產仍存在能耗高、選擇性低、反應速率慢等缺點。因此，能夠充分利用納米級結構修飾的不同元素/組分間耦合效應的納米結構雙金屬材料被認為是一種有前景的高性能電催化劑。
本文綜述了納米雙金屬電催化劑的研究進展，首先介紹一些重要的關于反應機理的基本背景知識，以了解這些反應是如何發生的。然后，從雙金屬合金效應、雙組分電催化劑的界面/基底效應和納米結構效應三個方面，總結了納米結構雙金屬電催化劑操控催化反應活性和選擇性的最新進展。

Recent progress on nanostructured bimetallic electrocatalysts for water splitting and electroreduction of carbon dioxide

Can Cui, Xiaosong Hu, Liaoyong Wen

J. Semicond. 2020, 41(9): 091705

doi: 10.1088/1674-4926/41/9/091705

6.

用于光催化產氫的多元銅基硫族納米晶的合理設計

利用半導體材料進行光催化分解水產氫被認為是解決當下能源和環境問題的有效方法之一。近年來，多元硫屬銅基半導體納米晶由于其具有較大的吸收系數、合適的光學帶隙和毒性低等優點，成為近年來光催化制氫技術關注的熱點之一。而銅基硫族半導體納米晶在光催化制氫性能方面較其它半導體材料還有待進一步提高，因此對銅基硫族光催化劑進行合理設計顯得尤為重要。

圖1. 不同結構和組分的多元銅基硫族半導體納米晶的光催化制氫性能示意圖：(a) 通過引入不同元素合成合金及異質結構的多元銅基硫族納米晶；(b)三元CuGaS2的維度調控；(c)四元L形Cu-Ga-Zn-S納米晶。

北京交通大學唐愛偉教授課題組總結了最近兩年在多元銅基硫族半導體納米晶的可控合成及光催化產氫方面的研究進展，為銅基硫族光催化劑的合理設計提供了重要思路。首先，采用種子生長法在二元Cu1.94S體系中引入二價和三價金屬陽離子，分別得到了具有合金和異質結構的銅基硫族納米晶，研究發現其光催化產氫性能的明顯差異是能級結構的不同造成的（圖1(a)）；之后，他們重點研究了三元CuGaS2納米晶的光催化制氫性能，他們通過控制合成條件對納米晶的維度進行調控，從而改變其暴露晶面，進一步影響光催化制氫性能（圖1(b)）；在三元一維CuGaS2納米晶的基礎之上，通過一鍋法引入Zn離子制備出具有L形特殊形貌的四元Cu-Ga-Zn-S納米晶，Zn元素的加入與L形特殊形貌的空間效應使光催化性能大大提高（圖1(c)）。

本課題組近年來的研究內容從材料的可控制備到能級結構、晶面等方面對光催化性能的影響，形成了一個較為完整的體系，對銅基硫族納米晶作為光催化劑的合理設計有重要的指導意義。

Rational design of multinary copper chalcogenide nanocrystals for photocatalytic hydrogen evolutionHao Fu, Aiwei Tang

J. Semicond. 2020, 41(9): 091706

doi: 10.1088/1674-4926/41/9/091706

7.

金屬-有機骨架復合材料及其在能量轉換和存儲領域應用

隨著全球能源需求和消費的急劇增長，迫切需要利用清潔和可再生能源，如太陽能等。然而，這些資源是間歇性的，與天氣和環境密切相關。因此，發展高效、穩定的能量轉換與存儲材料勢在必行。金屬有機骨架（MOFs）材料因有序多孔結構、大表面積、高電化學響應和化學可調性等優點，在能量轉換和存儲領域得到了廣泛的研究。然而，大多數報道的MOFs仍然存在穩定性差、電導率不足和活性位點利用率低的問題，因此在實際應用時受到了嚴重限制。

鑒于此，上海應用技術大學柯勤飛教授、浙江師范大學李正全教授和中國科學技術大學周敏教授等，從復合材料各部分之間內在關系的角度，詳細闡明了MOF基復合材料的設計原則，包括兩種工作模式：(1)MOFs與輔助部分，(2)MOFs與其他功能部分，并介紹了近年來MOF基復合材料在能量轉換(催化)和儲能(超級電容器和離子電池)方面的典型應用。同時，本文強調了通過設計組合的優化以獲得協同效應的優勢。

圖1. MOF基復合材料的設計原則。

盡管取得了很大的進展，但在大規模應用中仍存在一些可預見的挑戰。一方面，MOF基復合材料的整體電阻仍然很高；另一方面，在實際應用中，對復合材料活性位點的直接認識仍未明確。雖然仍存在許多挑戰，本文給出了MOF基復合材料在能量轉換和存儲應用的設計原則，這對于進一步理解基于MOF的復合材料中不同組分間的協同作用具有重要意義。

Metal-organic framework composites for energy conversion and storage

Hang Wang, Na Zhang, Shumin Li, Qinfei Ke, Zhengquan Li, Min Zhou

J. Semicond. 2020, 41(9): 091707

doi: 10.1088/1674-4926/41/9/091707

8.

PDI自組裝體：從電子結構的調控到光催化應用

目前，能源短缺和環境污染造成的威脅急劇增加，對現代經濟發展和人類生存環境產生了重大影響。比如，每年平均有2.1千兆噸的碳以二氧化碳的形式被海洋吸收，造成嚴重的海洋酸化；化石燃料燃燒釋放的CO2和SO2導致全球氣候急劇變化（全球變暖和區域性氣候異常）。因此，迫切需要開發出一種儲量豐富、安全且生態友好的替代品以取代傳統的化石燃料?；诎雽w的光催化技術為滿足這一要求提供了一條綠色途徑。

苝二酰亞胺自組裝體作為一種新型的無金屬的光催化材料，相比于傳統的無機半導體，其具有如下特點：分子的π-π堆積結構、快速的內部電荷轉移、帶狀的電子結構、靈活的結構/形貌可調控性和優越的可見光吸收性能等。苝二酰亞胺分子是一種常見的有機染料（英文簡寫PI、PDI、PBI或PTCDI），其由PDI共軛骨架和側鏈組成。由于PDI分子具有大的π共軛結構，因此，在一定的溶劑中，通過π-π堆積、氫鍵、側鏈-側鏈相互作用下，PDI分子沿著一維的π-π堆積方向排列形成超分子自組裝體。對PDI苝環和側鏈的化學修飾可以簡單地調節自組裝的排列模式和超分子結構。因此，在特定的溶劑中我們可以構筑出特定形貌PDI自組裝體，比如空心納米球、螺旋狀、線狀、棒狀和纖維狀等形貌。
形成超分子結構的過程本質上是一個凝膠和溶膠之間的動態平衡過程。因此，環境因素（例如溶劑、溫度、濃度）對于控制高度有序的超分子結構的形成至關重要。但是，調節PDI分子之間的微觀堆疊結構是一個巨大的挑戰，因為它們的平衡狀態對環境條件非常敏感。不同的π-π堆積模式可能導致截然不同的電子傳輸途徑，從而改變光催化性能。PDI聚集狀態使其具有更寬的光吸收范圍，甚至可以擴展到近紅外區域。重要的是，沿π-π堆疊方向的電子轉移是其光催化的顯著特征，可有效阻止光生電子和空穴的復合。此外，超分子晶體可以形成具有一定帶隙寬度的能帶結構。由此，PDI自組裝體表現出一些令人印象深刻的光催化性能，主要歸因于π-π堆疊結構以及由此產生的沿π-π堆疊方向的電子轉移。據我們所知，目前還沒有關于PDI自組裝體光催化的相關綜述報道。

最近，華中師范大學歐陽述昕教授課題組在Journal of semiconductors發表了題為“Perylene Diimide Self-Assembly: From Electronic Structural Modulation to Photocatalytic Applications”的綜述文章。該文章討論了可行的PDI自組裝體的調控方法，包括修飾PDI苝灣，通過側鏈取代基調控Π-Π堆積方式，構建基于PDI自組裝的復合材料以及PDI負離子/正離子自由基的光催化作用。接著，以一些實際應用為例來突出該有機自組裝材料的重要性，包括光催化降解污染物、水分解產H2/ O2、光催化有機合成和光熱/光動力治療。最后，作者論述了PDI自組裝光催化材料的發展前景和目前所面臨一些關鍵科學問題。

圖1. PDI自組裝超分子體的(a) 莫特-肖特基曲線，(b) XPS價帶光譜。(c) PDI自組裝體的電子能級結構示意圖。

圖2. (a) 二元溶劑混合法和金屬配體配位法。(b) 大塊PDI和 (c) 納米PDI的TEM圖。(d) ND-PDI和 (e) DD-PDI薄膜的UV-vis吸收(黑色)、熒光激發(藍色)和發射光譜。(f) 計算的0-0和1-0振子強度比率。(g) D/A異質結的光學和電學性能比較，紅柱和綠柱分別表示熒光猝滅和光電流。

相信在不久的將來，這類光催化材料必定能夠取得更大的突破和發展，能夠與傳統的無機半導體光催化材料相媲美。

Perylene diimide self-assembly: From electronic structural modulation to photocatalytic applications

Weiqin Wei, Shuxin Ouyang, Tierui Zhang

J. Semicond. 2020, 41(9): 091708

doi: 10.1088/1674-4926/41/9/091708

9.

促進光生電荷分離有效策略及其在Fe2O3光陽極光電化學分解水中的應用

光電化學分解水制氫技術是解決能源短缺和環境污染問題的理想途徑之一。要實現高太陽能氫氣(STH)轉換效率，重點在于找到合適的半導體光陽極材料，因為在n型半導體光陽極上發生水的氧化過程，屬于4電子反應，過電位很高，是整個水分解反應的限制步驟。因此，開發高效的光陽極是實現太陽能分解水的關鍵。

Fe2O3作為最受歡迎的光陽極材料之一，雖然其理論效率為15.8%，但是目前光電轉換效率還遠低于其理論效率。在諸多的影響因素當中，Fe2O3光電極的光生載流子的分離效率和注入效率對于光電化學分解水性能的提升起著重要的限制作用。

近日，西安郵電大學廖愛珍博士等發表題為“Typical Strategies to Facilitate Charge Transfer for Enhanced Oxygen Evolution Reaction: Case Studies on Hematite”的綜述論文。第一作者為西安郵電大學廖愛珍博士，南京大學周勇教授、西南科技大學何輝超副教授和西安郵電大學廖愛珍博士為本文共同通訊作者。本文首先針對造成Fe2O3光陽極光生成電子空穴分離效率和注入效率低的本質原因進行了歸納整理。此外，重點總結和分析了改善這個問題的策略，其中包括：(一)形貌結構調控；(二) 元素摻雜；(三) 助催化劑擔載；(四) 異質結構建等。同時，結合作者近期的研究成果，綜述了近年來關于采用這些方法提高Fe2O3光生載流子分離效率和轉移效率，從而改善Fe2O3光陽極光電化學水分解性能的最新研究進展。

要點一：形貌結構調控

對于Fe2O3光陽極，空穴擴散長度短(2-4 nm)、光利用效率低和光電極薄膜比表面小，是限制光生電子空穴對分離效率提高的重要因素。相對于平板結構來說，無論是一維、二維或三維的納米結構都有利于光生載流子的分離，尤其是一維的納米結構，由于縮短了載流子傳輸距離、增大了電極與電解液接觸面積、增加了反應位點，更大幅度提高了載流子的分離效率。

要點二：元素摻雜

對于窄帶隙半導體Fe2O3，離子摻雜特別是高價態離子摻雜，通過在半導體禁帶內形成淺施主能級，能夠顯著增加半導體載流子濃度以及減小少數載流子的擴散長度，提高半導體的導電性，從而改善Fe2O3光電極的光電化學分解水性能。最初主要研究單原子摻雜，之后由于單原子摻雜濃度的有限性，導致在摻雜離子和Fe3+之間半徑的不匹配，或部分單原子會成為載流子復合中心，引起載流子遷移速率變小或激發態的載流子濃度減少問題。因此，雙原子或多原子共同摻雜吸引了人們的高度關注。

圖1. (a和c) 莫特肖特基圖。(b和d) J-V曲線圖。

要點三：助催化劑擔載

表面助催化劑修飾是降低反應勢壘、加快反應動力學、協助光電極界面電子-空穴對分離、提高光電極穩定性的有效手段。此外，助催化劑層的存在還能保護光電極，防止電極光腐蝕。雖然貴金屬或貴金屬氧化物是理想的助催化劑，但稀缺性和昂貴的價格限制了它們的大規模應用。因此，廉價的過渡金屬(Co-，Ni-，和Fe-)為基礎的助催化劑引起了人們的高度關注。除了助催化劑的種類外，助催化劑的合成方法、負載量等對助催化劑的改性均會對光陽極的光電化學性能產生很大的影響。為了進一步提高光生電子空穴的分離，人們開發了雙助催化劑體系，相比較單一的氧化助催化劑，雙助催化劑起不同作用加快光生載流子的分離和表面催化反應，因而具有更高的效率。

圖2. (a) Fe2O3/FeB的高分辨TEM圖。(b和c) 電荷分離和注入效率圖。(d和e) AFM圖和(f和g)相應的SPVM圖，其中，(d和f)是Fe2O3，(e和g)是Fe2O3/FeB。(h) SPV的直方圖。(i) SPV隨時間變化的曲線圖。(j) J-V曲線圖。

要點四：構建異質結

半導體材料的載流子遷移率都非常低，且壽命非常短。因此大部分光生電子(空穴)未遷移至表面參與反應便在本體發生復合。因此，單一半導體作為光電極材料具有較低的載流子分離效率。而構建半導體異質結可通過不同半導體之間的能帶差將光生電子和空穴分離，顯著提升光生載流子分離效率。目前高效的異質結主要包括傳統的II型異質結、p-n異質結、和Z型異質結等。相對傳統的II型異質結和p-n異質結光生電子空穴的轉移機制，Z型異質結由于具有特殊的轉移路徑和保留的強氧化性和強還原性更有利于電子空穴的分離與轉移。

圖3. 原理圖(a) II異質結，(b) p-n異質結，(c) Z型異質結。

盡管到目前為止，眾多的光陽極材料已經被探索出來；通過大量的努力研究，相關的光電催化機理也得到了有效建立。然而，利用光電催化材料距離實現5%-10%太陽能轉化效率的目標還有一定的距離。以明星材料Fe2O3為例, 要實現這一目標，重點在于解決光生電子空穴的分離和轉移問題。針對此問題，本文綜述了幾種具有代表性的有效策略，比如微納結構調控、元素摻雜、表面修飾、以及異質結構建等。但目前還有很多具體問題和因素需要被重視和解決，如多原子共同摻雜的機理；高效助催化劑的設計與制備；Z型復合光催化系統的反向反應及電荷轉移機理；以及反應器設計的有效性等。只有深刻理解上述各個策略，結合光電催化原理并實際應用于光電催化材料和反應器的研發與研制中，才能最終實現工業化產氫氣的目標。

Typical strategies to facilitate charge transfer for enhanced oxygen evolution reaction: Case studies on hematite

Aizhen Liao, Huichao He, Yong Zhou, Zhigang Zou

J. Semicond. 2020, 41(9): 091709

doi: 10.1088/1674-4926/41/9/091709

研究論文

1.

高粗糙表面的碳納米纖維膜用于高性能鋰硫電池中間層

隨著當今社會科技的高速發展，對電能存儲技術的要求越來越嚴苛，向高效率和低成本的方向邁進。目前，鋰離子電池做為可再生能源領域中最為成熟的儲能體系，在技術研究和實際應用領域都取得了巨大的成功。然而在地殼中鋰資源含量較少和分布不均，在未來會導致鋰離子電池的成本越來越高。鋰硫電池是一種具有巨大應用前景鋰離子電池替代技術，可滿足更高的能量密度需求，因為它的正極材料硫有著價格低廉且環境友好的優勢，可提供1675 mA·h·g-1的高理論容量和2567 Wh·kg-1的高理論能量密度。然而，為了使鋰硫電池成為商業技術，仍然需要解決許多具有挑戰性的問題，例如，在電池充放電過程中電池容量衰減快，電池穩定性差以及庫侖效率較低等問題。這些問題大多是由于在電池充放電循環過程中，正極硫產生的多硫化物中間體Li2Sn (4≤n≤8）在有機電解質中的溶解度較高使得活性材料快速消耗，硫較差的絕緣性以及循環過程中的硫的巨大體積膨脹造成的。

德國伊爾梅瑙工業大學雷勇教授團隊（應用納米物理研究團隊）多年來致力于能源存儲材料和器件的研究，近年來集中于探索新型離子電池電極材料的研究，對鋰硫電池，鈉離子電池和鉀離子電池等新型離子電池有著系統的研究。最近，雷勇教授課題組與蘇州大學功能納米與軟物質研究院（FUNSOM）孫旭輝教授課題組合作通過靜電紡絲技術制備了一種高粗糙表面氮摻雜碳納米纖維膜，作為改善鋰硫電池電化學性能的有效中間層。此纖維膜具有著較大的比表面積和高的表面粗糙度，能夠有效的穩定在鋰硫電池充放電過程中形成的可溶性多硫化物，減少多硫化物的流失，并且氮摻雜可以有效的提升此碳納米纖維的導電性，從而提升鋰硫電池的電化學性能。

圖1. (b) 鋰硫電池的組裝示意圖；(b) 氮摻雜高粗糙表面碳納米纖維的掃描電鏡圖。

作為一種低成本，高導電性和物理吸附能力的中間層，此氮摻雜碳納米纖維膜中間層可以有效穩定高溶解度的多硫化物，提升鋰硫電池的電化學性能。對比通過復雜而昂貴的正極材料的改性和結構設計等方式來提升鋰硫電池性能的方法，這種廉價，合成工藝簡單的高性能氮摻雜碳納米纖維膜中間層為改善鋰硫電池性能提供了另一種有效的思路。

Highly-rough surface carbon nanofibers film as an effective interlayer for lithium–sulfur batteries

Hongfan Zhu, Mo Sha, Huaping Zhao, Yuting Nie, Xuhui Sun, Yong Lei

J. Semicond. 2020, 41(9): 092701

doi: 10.1088/1674-4926/41/9/092701

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《半導體學報》簡介：

《半導體學報》是中國科學院主管、中國電子學會和中國科學院半導體研究所主辦的學術刊物，1980年創刊，首任主編是王守武院士，黃昆先生撰寫了創刊號首篇論文，2009年改為全英文月刊Journal of Semiconductors（簡稱JOS），同年開始與IOPP英國物理學會出版社合作向全球發行?，F任主編是中科院副院長、國科大校長李樹深院士。

2016年，JOS被ESCI收錄。

2019年，JOS入選“中國科技期刊卓越行動計劃”。

“中國半導體十大研究進展”推薦與評選工作簡介：

《半導體學報》在創刊四十年之際，啟動實施 “中國半導體年度十大研究進展”的推薦和評選工作，記錄我國半導體科學與技術研究領域的標志性成果。以我國科研院所、高校和企業等機構為第一署名單位，本年度公開發表的半導體領域研究成果均可參與評選。請推薦人或自薦人將研究成果的PDF文件發送至《半導體學報》電子郵箱：jos@semi.ac.cn，并附簡要推薦理由。被推薦人須提供500字左右工作簡介，闡述研究成果的學術價值和應用前景。年度十大研究進展將由評審專家委員會從候選推薦成果中投票產生，并于下一年度春節前公布。

JOSarXiv預發布平臺簡介：

半導體科技發展迅猛，科技論文產出數量逐年增加。JOSarXiv致力于為國內外半導體領域科研人員提供中英文科技論文免費發布和獲取的平臺，保障優秀科研成果首發權的認定，促進更大范圍的學術交流。JOSarXiv由《半導體學報》主編李樹深院士倡導建立，編輯部負責運行和管理，是國內外第一個專屬半導體科技領域的論文預發布平臺，提供預印本論文存繳、檢索、發布和交流共享服務。

責任編輯：xj

原文標題：半導體學報2020年第9期——能量存儲的挑戰和可能性?？?/p>

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