研究目的
开发透明Ta3N5光阳极以实现光电化学水分解中高效析氧反应，从而构建无需外部电源即可实现全水分解的串联电池。
研究成果
在GaN/Al2O3衬底上制备的透明Ta3N5光阳极在1.23 V（vs. RHE）下实现了6.3 mA cm-2的高光电流密度和1.15%的最大HC-STH，在600 nm以上波长具有优异透光性。该串联电池初始STH超过7%，但实际应用需解决稳定性问题。GaN层增强了载流子收集效率，进一步研究有望改进氮化物基光阳极性能。
研究不足
串联电池的耐久性不足以满足实际应用需求，因为其太阳能到氢能（STH）转换效率会随时间显著下降，这可能是由于Ta3N5自氧化形成绝缘层所致。工作过程中光电流也会逐渐降低。
1：实验设计与方法选择：
本研究基于既往方法，旨在通过氨气氛围高温氮化工艺在GaN/Al2O3衬底上制备透明Ta3N5光阳极。采用半导体器件模拟器对电子能带结构进行理论分析。
2：样品选择与数据来源：
Ta3N5薄膜制备于n型GaN包覆的双面抛光蓝宝石衬底（GaN/Al2O3），并选用石英（SiO2）和裸露蓝宝石（Al2O3）作为对照。基于CuInSe2（CIS）的薄膜太阳能电池由Solar Frontier K.K.提供。
3：实验设备与材料清单：
设备包括高温处理装置、透射率测量的紫外-可见分光光度计、晶体结构分析的X射线衍射仪（XRD）、成像用的扫描电子显微镜（SEM），以及配备模拟太阳光（AM 1.5G，1太阳光强）的光电化学（PEC）测量系统。材料包含钽前驱体化合物、氨气、NiFeOx催化剂、磷酸钾水溶液（pH 13）及铂/镍电极。
4：5G，1太阳光强）的光电化学（PEC）测量系统。材料包含钽前驱体化合物、氨气、NiFeOx催化剂、磷酸钾水溶液（pH 13）及铂/镍电极。 实验流程与操作步骤：
4. 实验流程与操作步骤：通过高温（~1000°C）氨气加热钽前驱体制备Ta3N5薄膜，表面沉积NiFeOx催化剂。在0.2 M磷酸钾溶液（pH 13）中以模拟太阳光进行PEC测试，记录电流-电压曲线、IPCE、气体析出量及STH效率。构建由光阳极与串联双CIS阴极组成的叠层电池。
5：2 M磷酸钾溶液（pH 13）中以模拟太阳光进行PEC测试，记录电流-电压曲线、IPCE、气体析出量及STH效率。构建由光阳极与串联双CIS阴极组成的叠层电池。 数据分析方法：
5. 数据分析方法：数据分析包括计算光电流密度、HC-STH、IPCE、法拉第效率及STH。采用半导体方程对能带结构和电流-电压曲线进行理论模拟。
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CuInSe2 thin-film solar cell
CIS
Solar Frontier K.K.
Used as a photocathode for hydrogen evolution in the tandem cell, absorbing light transmitted through the Ta3N5 photoanode.
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GaN/Al2O3 substrate
Serves as the transparent and conductive substrate for fabricating Ta3N5 photoanodes, withstanding high-temperature nitridation.
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NiFeOx catalyst
Deposited on the Ta3N5 surface to promote the oxygen evolution reaction, reducing overpotential.
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Pt/Ni electrode
Used as the hydrogen evolution site in the tandem cell, connected to the CIS-based cathode.
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