美國研究人員製作出摻鋅磷化鎵奈米線(zinc-doped GaP nanowire)，可作為太陽能水分解(solar water splitting)反應中理想的光電極(photoelectrode)。根據他們的實驗結果，此摻鋅奈米線的光電流密度接近單晶磷化鎵晶圓。
太陽能水分解是利用陽光將水轉變為氫氣與氧氣，是一種乾淨無污染的再生能源，不過目前可使用的高效率光電極材料卻仍相當稀少。相較於許多其他的半導體材料，磷化鎵很適合作為太陽能燃料轉換過程中的光陰極材料，不過，一般的單晶磷化鎵並沒有足夠的表面積可供水分解催化劑之用，此外，其昂貴的價格也令人卻步。
最近，加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)的Peidong Yang與勞倫斯柏克萊國家實驗室(LBNL)的研究伙伴克服了這些問題。他們採用不需要介面活性劑的溶液-液相-固相法(solution–liquid–solid, SLS)製作出摻雜鋅的磷化鎵奈米線。摻入鋅有助於增加奈米線中的電荷載子，進而提升輸出的光電流。此摻鋅奈米線的磷化鎵含量約只有單晶晶圓的3000分之一，卻能產生相同的光電流密度。
磷化鎵奈米線通常是以高溫氣相製程製作，現存的溶液製程雖能產生膠狀奈米線，但需要有機介面活化劑及配位體來協助塑造直線形狀。這些技術的另一個缺點是有機分子會與奈米線表面形成共價鍵結，阻礙光生電荷載子在半導體-電解液介面的轉移。
Yang等人研發的SLS法採用化學物質triethylgallium與tris(trimethylsilyl)phosphine作為前驅物，並以高沸點的飽和烴為溶劑來合成磷化鎵奈米線。他們發現黏稠且具低蒸氣壓的角鯊烷(squalane)為最合適的溶劑。這種無介面活化劑的溶液製程可輕易推廣至三五及二五族半導體，可望用來製造太陽能燃料轉換反應器內的光電極。此系統模仿自然界光合作用的反應過程，因此太陽能的轉換效率高出許多。
Yang表示，他們的實驗不僅驗證了摻雜磷化鎵奈米線可作為太陽光水分解反應器的理想光電極，同時也增進對奈米線光化學的瞭解。詳見Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl3028729。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝