第一作者：杨旭东，刘玉莹，陈炜，张天乐
通讯作者：孙海定，徐嘉杰
DOI：10.1007/s40820-026-02186-9
文章针对单结p‑InGaN纳米线电极固有的载流子提取效率低这一难题，提出了一种可规模化的内外协同双电子提取策略，实现了单结p‑InGaN纳米线中快速的体‑表‑电解质电子传输，从而显著提升了光电化学析氢效率。
2026年3月，Nano-Micro Letters杂志在线发表了中国科学技术大学孙海定教授团队在光电析氢领域的最新研究成果。团队提出了一种可规模化的内外协同双电子提取策略，实现了单结p‑InGaN纳米线中快速的体‑表‑电解质电子传输，从而显著提升了光电化学析氢效率。论文第一作者为：杨旭东，论文通讯作者为：孙海定，徐嘉杰。
高效、耐久且可扩展的光电阴极是实现大规模太阳能制氢不可或缺的关键。值得注意的是，单结半导体光电阴极因其结构简单、成本低廉以及成熟的制备工艺而备受关注，但其固有的载流子提取效率通常较低。为解决这一挑战，我们提出了一种协同“双电子提取”策略，充分释放了单结p‑InGaN纳米线的析氢潜力。令人瞩目的是，优化后的p‑InGaN光电阴极在0 V vs. RHE下实现了-3.40 mA·cm⁻²的光电流密度--相较于原始器件提升了37.8倍，并表现出0.82 V vs. RHE的优异起始电位，同时在无额外保护层的条件下稳定产氢超过300小时。具体而言，在p‑InGaN纳米线中引入电子阻挡层，有效抑制了电子向基底的回流，并促进其向纳米线/电解质界面的传输。此外，InGaN纳米线的表面阴离子掺杂显著增强了能带弯曲，既促进了界面电子转移，又优化了氢吸附能，从而加速了析氢反应速率。该协同双电子提取策略显著提升了单结InGaN纳米线的电子利用效率，为解决晶圆级Ⅲ‑V氮化物光电阴极的固有局限性提供了一条全新的技术路径。
如图1所示，研究团队采用自下而上的等离子体辅助分子束外延（MBE）技术，在富氮环境下成功在n‑Si (111)衬底上外延生长出高结晶度的单结p‑InGaN纳米线。依托MBE的精确界面调控，在单结p‑InGaN纳米线中引入由n++‑GaN、InGaN和p++‑GaN构成的电子阻挡层（EBL），有效促进电子‑空穴的分离与传输。通过多种电镜表征手段进一步证实，该结构在硅晶圆上实现了高质量p‑InGaN纳米线的外延生长，并成功构建了预期的电子阻挡层设计。
图1. 晶圆级 p‑InGaN/EBL/n‑GaN 纳米线的形貌与结构表征。
采用三电极PEC装置对InGaN/GaN/Si与InGaN/EBL/GaN/Si进行了系统性能评估。与InGaN/GaN/Si相比，InGaN/EBL/GaN/Si的PEC析氢性能显著提升。在0 V vs. RHE下，其光电流密度达到-0.79 mA·cm-2，相较InGaN/GaN/Si（-0.09 mA·cm-2）提高了8.8倍。进一步结合实验与仿真分析，研究团队揭示了EBL引入后内部载流子分离效率与传输速率提升的机制：在单结p‑InGaN光电阴极中，p‑InGaN既作为光吸收层，又充当析氢反应的活性位点。因此，光生电子可直接迁移至p‑InGaN/电解质界面参与反应。然而，纳米线底部的n‑GaN在n‑GaN与p‑InGaN之间形成内部电场，使部分光生电子被导入内部电路而非电解质界面，从而降低了可用于析氢的电子数量。同时，p‑InGaN中的光生空穴必须跨越由于n‑GaN段基底所造成的高势垒才能进入内部电路，这一缓慢的传输过程增加了与光生电子复合的可能性，进一步削弱了p‑InGaN/电解质界面的光生电子数量。通过在单结p‑InGaN纳米线中引入EBL，光生电子能够更高效地导向p‑InGaN/电解质界面，而空穴则可快速进入内部电路，从而显著提升电子‑空穴分离效率。综上，在p‑InGaN与n‑GaN之间插入EBL，不仅增加了到达电解质界面的光生电子数量，还改善了内部电路中的空穴传输效率。
图2. 内部优化后的性能表征与机理分析。
尽管内部电子阻挡层的构建显著增加了到达p‑InGaN表面的光生电子数量，但p‑InGaN本身的惰性表面仍严重限制了表面与电解质之间的电子转移。这一局限性凸显了亟需发展能够建立p‑InGaN表面至溶液快速电子转移通道的策略。值得注意的是，纤锌矿型InGaN具有电子可调的表面特性，可通过金属或非金属离子掺杂来增强其电子结构。这类修饰为构建p‑InGaN表面至电解质的高效电子转移通道提供了可行途径。在本研究中，团队通过简单的硫化工艺将硫离子引入惰性的InGaN表面，从而形成InGaSN/InGaN表面结构。电镜表征结果证实了硫元素在InGaN表面的成功引入。同时，结合硫化前后的X射线光电子能谱（XPS）与表面敏感软X射线吸收谱（sXAS）分析，揭示了硫化后InGaN纳米线的表面化学态变化及电子相互作用特征。
图3. 外部优化的微观结构与电子结构表征。
图4. 外部优化后的光电化学析氢性能表征。
为进一步探究硫化后形成的富电子表面对InGaSN/InGaN/EBL/GaN/Si光电极PEC析氢活性的影响，研究团队在标准三电极体系中以0.5 M H2SO4为电解质进行了性能评估。与InGaN/EBL/GaN/Si相比，硫化表面表现出显著增强的PEC析氢性能：在0 V vs. RHE下，光电流密度由-0.79 mA·cm-2提升至-3.40 mA·cm-2，起始电位（Von）亦由0.63 V vs. RHE提升至0.82 V vs. RHE。此外，单结InGaSN/InGaN/EBL/GaN/Si光电阴极在无任何保护层条件下稳定运行约300 h，表现出优异的耐久性。通过基于内外协同的双电子提取策略，单结p‑InGaN光电阴极在0 V vs. RHE下的光电流密度由-0.09 mA·cm-2显著提升至-3.40 mA·cm-2，实现了37.8倍的增强。与近年来报道的多种先进光电阴极相比，最终的InGaSN/InGaN/EBL/GaN/Si光电阴极展现出较佳的稳定性与起始电位，凸显了该双电子提取策略的有效性。
进一步结合实验表征与密度泛函理论（DFT）计算，研究团队阐释了表面硫化显著提升PEC析氢性能的机理。稳态光致发光（PL）与时间分辨光致发光（TRPL）测试结果表明，硫化有效抑制了光生电子‑空穴对的复合，显著增强了载流子的有效分离。此外，由于硫原子比取代的氮原子多一个价电子，可视为一种有效的n型掺杂，提升了表面电子填充水平并导致费米能级上移。当表面InGaSN与体相InGaN接触时，表面电子流入体相以实现费米能级对齐，从而在体相 InGaN 中产生明显的能带下弯，进一步促进光生电子由体相迁移至表面。同时，表面硫化显著优化了氢吸附自由能，构建了p‑InGaN表面至电解质之间快速高效的光生电子传输通道，从而进一步提升了析氢动力学与整体效率。
图5. 外部优化的机理分析
本研究提出了一种具有规模化应用的内外协同双电子提取策略，从根本上提升了单结p‑InGaN纳米线的光生载流子利用效率。内部方面，在纳米线中引入电子阻挡层，有效抑制了电子向基底的回流，使光生载流子能够更高效地输运至纳米线/电解质界面，同时实现空穴快速收集进入电路。外部方面，通过阴离子掺杂实现的表面硫化有效改善了InGaN的能带结构，增强了电子向电解质传输的驱动力；同时，硫化表面优化了氢吸附能，加速了析氢反应动力学。因此，优化后的p‑InGaN光电电极在0 V vs. RHE下实现了-3.40 mA·cm-2的光电流密度，相较原始器件提升了37.8倍，并展现出0.82 V vs. RHE的优异起始电位。值得强调的是，该器件在无任何表面保护层的条件下仍能在强酸环境中稳定产氢超过300小时，凸显了其耐久性。该策略的成功实施为提升载流子利用效率提供了一种通用且可扩展的途径，为解决单结Ⅲ-V光电极普遍存在的电子回流与界面传输瓶颈提供了新的思路与技术支持。
作者介绍
孙海定
本文通讯作者中国科学技术大学 教授
简介：中国科学技术大学微电子学院教授/博导，中科大iGaN实验室负责人，入选国家优青，安徽省杰青，中国科学院高层次人才计划等人才项目。长期致力于氮化镓（GaN）半导体材料外延、光电和光电化学器件设计与制备研究。共发表SCI论文180+篇，ESI高被引论文10+篇，Google引用8500+，其中以通讯作者发表包括Nature Photonics（1篇），Nature Electronics（3篇，1篇封面），Nature Communications，Science Advances等国际重要SCI论文100+篇和4篇IEDM等国际电子器件顶会论文。受邀撰写4本专著章节，获国内外专利授权20余项。受邀担任IEDM/CLEO/IEEE IPC等多个国际电子/光电子器件领域顶会的组委会委员和TPC成员，并担任多个国际期刊如IEEE Photonics Technology Letters副主编以及Journal of Semiconductor、Nano-Micro Letters和 Material Today Electronics 等期刊青年编委。以项目负责人主持多项国家重点研发计划、国家基金委等项目，连续3年入选中国科学院优秀导师称号，连续5年入选科睿唯安全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists，2021-2025）并入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单（2024-2025）。
Yang, X., Liu, Y., Chen, W. et al. Wafer-Scaled III-Nitrides Nanowire Photocathodes Enabled by Synergistic Dual-Electron Extraction for Efficient Solar-to-Hydrogen Conversion. Nano-Micro Lett., 2026, 18, 337. https://doi.org/10.1007/s40820-026-02186-9
北京泊菲莱科技有限公司（Beijing Perfectlight）成立于2006年，是国家级高新技术企业、中关村高新技术企业及北京市第一批“专精特新”企业，企业通过 ISO 9001/14001/45001 管理体系认证，售后服务达 GB/T 27922-2011 五星级标准。公司专注于智能化、高精度、高性能设备及整体解决方案的研发、生产、销售与服务，产品涵盖光源、光/光电/光热/热催化装置、表征测试系统、产研装置与光合成设备等十余系列，支撑从基础研究、小试中试到工业化放大。泊菲莱面向高校、研究所及企业，重点服务新能源、药物合成、精细化工与新材料等领域；产品已进入 3000+ 实验室、远销近 50 个国家，累计支撑发表 SCI 论文 9000+ 篇。公司牵头或参与国家与行业标准制定，承担国家重点研发计划，拥有多项核心知识产权与“北京市新技术新产品”认证，并已助力多家企业用户建成吨级与百吨级光化学生产线。
