氮化钽(Ta₃N₅)是一种可见光响应半导体，可能能够实现水分解系统商业化所需的 10% 太阳能制氢 (STH) 效率。然而，尽管进行了大量的研究，迄今为止报道的基于 Ta₃N₅ 纳米棒 (NRs)的光阳极的最高STH效率只有2.7%。因此，必须建立一个可以解释各种损耗机理及其与结构和材料性能的关系的理论基础，从而优化该材料的性能。

有鉴于此，东京大学Kazunari Domen、Yuriy Pihosh和日本产业技术综合研究所Kazuhiko Seki、Vikas Nandal等人，基于对由 Ba 掺杂或未掺杂 Ta₃N₅-NR 制成的光阳极性征特性的深入分析，设计了一个详细的数值模型。

本文要点

1）开发了一个详细的光电模型来评估 Ta₃N₅-NR 光阳极的电流-电位特性。考虑了两种情况:Ba掺杂Ta₃N₅-NR (Ba: Ta₃N₅-NR)和未掺杂Ta₃N₅-NR，两者都负载 FeNiOx 作为助催化剂。结果表明，钡的掺杂提高了光阳极的性能。

2）这种经过实验校准的光电模型能够预测与性能损失相关的各种因素，包括光学效应、电荷载流子复合和电阻损耗。还可以计算某些物理参数，例如电荷载流子寿命、扩散长度、从 NR 表面到电解质的空穴提取率以及光电阳极的串联电阻。

3）结果表明，Ba掺杂获得的增强性能主要归因于载流子寿命和扩散长度的增加。利用文献中的实验数据重新校准了本模型，以检验NRs的尺寸对光学和复合损耗的隐藏效应。在此基础上，提出了各种设计原则，以使高效的Ta₃N₅-NRs光阳极能够用于商业STH生产。

参考文献：

Vikas Nandal et al. Probing fundamental losses in nanostructured Ta₃N₅ photoanodes: design principles for efficient water oxidation. Energy Environ. Sci., 2021.

DOI: 10.1039/D1EE01004B

https://doi.org/10.1039/D1EE01004B