光電化學(PEC)分解水可以將間歇性太陽能轉化為氫燃料，從而解決太陽能的收集和儲存問題。氧化亞銅(Cu₂O)由于其固有的p型特性、儲量豐富和低成本而可作為PEC水分解的光陰極。此外，Cu₂O的帶隙約為2 eV，具有合適的析氫能帶位置，更使其成為低成本光陰極材料的首選。但是，使用單一的Cu₂O光陰極很難實現(xiàn)太陽光驅動的水分解，通常需要構建由Cu₂O光陰極和光陽極或太陽能電池組成的自偏置串聯(lián)裝置。

對于這種串聯(lián)系統(tǒng)，增加光陰極和光陽極或太陽能電池的J-V曲線相交點的電流密度是提高太陽能到氫能(STH)轉換效率的關鍵。因此，要優(yōu)化析氫反應(HER)的起始電位和Cu₂O光陰極的填充因子。然而，當Cu₂O與電解質直接接觸時，會產(chǎn)生半導體-液體結(SCLJ)。在這種情況下，會不可避免地發(fā)生光電壓降低(<0.6 V)和光腐蝕。

同時，以往的研究主要集中在優(yōu)化Cu₂O與n型緩沖層之間的能帶排列以提高Cu₂O光陰極的光電壓。然而，n型緩沖層和保護層之間的能帶對齊常常被忽略?；诖?，南開大學羅景山團隊制備了單緩沖層(Ga₂O₃)和雙緩沖層(Ga₂O₃/ZnGeO_x) Cu₂O光陰極，并比較了它們的光電性能。

實驗結果表明，Ga₂O₃/TiO₂界面存在勢壘，使得Cu₂O光電陰極的光電壓和填充因子降低；在Ga₂O₃層和TiO₂層之間插入第二緩沖層(ZnGeO_x)可以使Cu₂O光陰極的起始電位提高。并且，ZnGeO_x的插入引入了能級梯度并消除了Ga₂O₃/TiO₂的界面勢壘，改善了Cu₂O光陰極的能帶取向。

PEC性能測試結果顯示，最優(yōu)的Cu₂O/Ga₂O₃/ZnGeO_x/TiO₂光陰極在光照下(AM 1.5G，100 mW cm^-2)的起始電位為1.07 V_RHE，比Cu₂O/Ga₂O₃/TiO₂光陰極(0.91 V_RHE)高0.16 V_RHE；同時，與Cu₂O/Ga₂O₃/TiO₂光陰極相比，Cu₂O/Ga₂O₃/ZnGeO_x/TiO₂在350~480 nm波長范圍內的入射光子數(shù)-電流轉化效率(IPCE)提高了69%。

此外，在連續(xù)光照(AM 1.5G，0 V_RHE)下，Cu₂O/Ga₂O₃/ZnGeO_x/TiO₂在H型電解池中進行PEC水分解實驗，H₂的平均法拉第效率接近100%，表明來自Cu₂O光陰極的光生電子都被用來還原質子以產(chǎn)生H₂；并且，該電極連續(xù)10小時而沒有發(fā)生明顯的光電流下降(3 h內光電流密度的下降和波動主要是由于光陰極表面附著的氣泡引起)，表明其具有良好的穩(wěn)定性。

Improving the photovoltage of Cu₂O photocathodes with dual buffer layers. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-42799-x