三代半新应用：InGaN/GaN超晶格实现高效光解水，太阳能制氢效率突破3%

第一作者：Yuyang Pan, Bingxing Zhang, Zhengwei Ye

通讯作者：Bingxing Zhang, Zetian Mi

通讯单位：美国密歇根大学

摘要

美国密歇根大学研究团队在《Nature Energy》发表最新研究成果，通过基于第三代半导体氮化铟镓/氮化镓（InGaN/GaN）的激子量子超晶格结构，首次在室温常压条件下实现了高达3.16%的太阳能到氢能转化效率，并在户外204倍太阳光强下实现了1.64%的平均转化效率。该研究首次将第三代半导体材料的量子限制斯塔克效应应用于光催化领域，通过极化电场调控激子寿命，解决了载流子复合难题，为第三代半导体在能源转化领域的应用开辟了新路径。

一、研究背景：第三代半导体的能源应用新方向

第三代半导体（以GaN、SiC等为代表）因其宽禁带、高电子饱和速率和强抗辐射能力，已在光电、功率电子领域取得广泛应用。然而，其在太阳能转化等能源领域的潜力尚未充分挖掘。本研究突破传统光催化材料局限，将InGaN/GaN这一经典光电材料体系创新性地应用于全水分解反应，展现了第三代半导体在清洁能源领域的巨大应用前景。

二、研究思路

1. 催化剂设计与结构表征

研究团队将目光投向具有稳定非中心对称纤锌矿结构、沿c轴方向呈现强极性的III族氮化物材料。在低维氮化物纳米结构中，受限在量子阱层中的载流子可以表现为长寿命的间接激子，其性质可通过极化、应变和量子工程进行调控。基于此，通过堆叠不同III族氮化物形成的量子超晶格结构，在诸多光电器件中展现出独特性质。

本研究设计并利用等离子体辅助分子束外延技术，在硅衬底上外延生长了嵌入GaN纳米线中的InGaN/GaN超晶格结构（图1）。通过调控InGaN层数（N = 10, 20, 40, 80）和铟含量，优化了对太阳光谱的响应。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜和X射线能谱元素面分布结果清晰地展示了InGaN量子阱与GaN势垒层的周期性交替堆叠结构，证实了超晶格的成功构筑。原子分辨的综合差分相位对比成像进一步揭示了材料的纤锌矿结构和沿[0001]方向的氮极性生长。值得注意的是，在InGaN/GaN界面处检测到InGaN晶格的畸变与面内压缩，这源于晶格失配导致的应变，并可能引发显著的压电场。

图1. InGaN/GaN超晶格的结构表征

高分辨电镜显示，超晶格中周期性交替的量子阱与势垒层形成了显著的晶格应变，诱发强极化电场，为后续量子效应调控奠定基础。

2. 极化电场与量子限制斯塔克效应的验证

为了证实InGaN/GaN超晶格中内建极化场的存在及其效应，研究团队进行了功率依赖的光致发光谱测试（图2）。所有样品都表现出随着激发功率增加，发光峰发生蓝移的现象，这是量子限制斯塔克效应的典型特征。其中，40层InGaN的超晶格结构蓝移最为显著，表明其具有最强的极化电场和量子限制斯塔克效应。这一效应源于沿极化生长方向的内建电场导致的三角形势垒轮廓：光激发后，电子和空穴弛豫到更低能态，使得有效带隙减小；而随着激发载流子浓度增加，内建电场被屏蔽，势垒轮廓趋于平缓，从而引起发射峰蓝移。

通过时间分辨光致发光和时间分辨差分反射光谱，研究人员进一步揭示了超晶格中的载流子动力学。时间分辨光致发光显示所有样品都存在快速衰减过程，但40层InGaN的超晶格衰减最慢，表明间接激子寿命因显著的量子限制斯塔克效应和极化电场而得以延长。更关键的是，时间分辨差分反射光谱信号衰减非常缓慢，表明大部分载流子在数十皮秒内并未复合。这强有力地证明了由于垂直方向的极化电场作用，相互作用的电子和空穴在超薄超晶格中被空间分离，形成了长寿命的间接激子。

这一发现凸显了第三代半导体通过能带工程调控载流子行为的独特优势，为解决光催化中电荷分离效率低的难题提供了新思路。

图2. InGaN/GaN超晶格的偏振电场与量子限制斯塔克效应

3. 表面助催化剂的集成与电荷分布特性

为了理解间接激子如何驱动表面反应，研究团队在InGaN/GaN超晶格侧表面光沉积了Rh/Cr₂O₃和CoOOH作为产氢和产氧助催化剂。高分辨透射电镜分析表明（图3），两种纳米簇（金属Rh核-Cr₂O₃壳结构，以及CoOOH）在纳米尺度上紧密集成但仍保持一定分离。紫外光电子能谱测量显示，Rh(Cr₂O₃)与CoOOH之间因功函数差异形成了界面电场，促使正电荷倾向于聚集在Rh(Cr₂O₃)一侧，而负电荷聚集在CoOOH一侧。这一从Rh(Cr₂O₃)指向CoOOH的界面电场，抑制了电子从Rh向CoOOH或空穴从CoOOH向Rh的相互转移，从而有效防止了两个簇之间的载流子复合。得益于超晶格结构的极化电场和限制效应，分离的电子和空穴得以延长寿命，并扩散到集成了两个半反应位点的表面。

图3. 40InGaN/GaN超晶格表面共催化剂的结构表征

4. 光催化全水分解性能

在室温、常压和模拟太阳光照射条件下，负载了助催化剂的40层InGaN超晶格样品展现出优异的光催化全水分解性能，太阳能到氢能转化效率高达3.16%，是体相InGaN样品效率的约10倍（图4）。不同层数超晶格的性能趋势与量子限制斯塔克效应和极化电场强度的趋势一致，证实了该效应对性能的关键作用。样品在1倍太阳光强下仍能保持3.05%的高效率。

外量子效率测试进一步佐证了载流子的高效利用。40层InGaN超晶格在365 nm激发波长下获得了95%的极高外量子效率，表明近乎完美的光子吸收和可忽略的载流子复合。其外量子效率的光谱依赖性与吸收光谱紧密吻合，且在可见光区（400 nm和435 nm）仍能保持59.3%和38.6%的效率，实现了对可见光光子的有效利用。此外，该催化剂体系在长达85小时的测试中保持了稳定的化学计量比产气（H₂:O₂ = 2:1）和良好的稳定性。

图4. InGaN/GaN超晶格的光催化水氧化性能

5. 户外放大演示与实际应用探索

为了探索该催化剂的实际应用潜力，研究团队在太阳能跟踪器上进行了户外放大演示实验（图5）。使用菲涅尔透镜将太阳光聚焦204倍，在16平方厘米的光催化剂晶片上实现了最高1.94%、平均1.64%的太阳能到氢能转化效率，验证了第三代半导体材料在真实环境下的适用性。即使在自然海水中进行测试，初始效率仍能达到2.28%，证明了材料体系在复杂环境中的适应性。虽然高浓度光照和海水环境对部分助催化剂（如Co物种）的稳定性提出了挑战，但InGaN超晶格光吸收体本身结构保持完好，展现了其固有的抗腐蚀鲁棒性。

图5. 规模化生产与户外应用演示

三、小结

本研究首次将第三代半导体的量子调控能力与光催化反应结合，证明了其在高效太阳能燃料制备中的潜力。其核心创新在于通过InGaN与GaN之间的晶格应变产生显著的内建极化电场，进而在载流子受限的超晶格结构中诱导出量子限制斯塔克效应，促进了长寿命间接激子的形成与维持。通过精细调控超晶格尺寸，可以增强量子限制斯塔克效应和极化电场，从而显著延长激子寿命，在紫外光谱区实现近乎完美的光生载流子利用，并大幅提升可见光吸收下的载流子利用效率。结合在纳米尺度上紧密集成但通过界面电场抑制复合的双功能助催化剂体系，最终实现了载流子向表面反应位点的高效传输与利用。

这项工作不仅展示了一条在温和条件下获得高太阳能到氢能转化效率的新路径，更标志着第三代半导体应用从传统光电领域向能源转化领域的重大拓展。它从材料设计、物理效应（量子限制斯塔克效应）到表面工程（集成助催化剂）的系统性层面，为理解和调控光催化过程中的能量转换与电荷输运提供了深刻见解。未来通过优化超晶格结构（如扩展红光响应）和提升助催化剂稳定性，第三代半导体有望成为低成本、高效率太阳能制氢的核心材料体系。

原文详情

Yuyang Pan et al. Excitonic quantum superlattices for efficient photocatalytic water splitting. Nature Energy (2026).

https://doi.org/10.1038/s41560-026-01972-4

来源：催化计

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