太阳能转换效率IPCE计算公式

太阳能转换效率是衡量光电催化分解水过程中的主要参数，是反映光电催化分解水体系性能的重要参数。目前，入射光子数-电流转化效率（Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency，IPCE）是光电催化分解水体系主要四种表示方式的一种。IPCE可看作分析诊断效率，可提供影响光电极反应效率因素的信息[1]。 

光电催化三电极反应体系中，IPCE用于表征材料的光电极反应效率与光功率、波长及电极电势的关系。

图1 光电催化三电极反应体系

◆定义及计算公式 

IPCE定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比，计算公式如下：

I：外电路电流值（A） 

h：普朗克常量（6.62×10-34 J·s） 

c：光速（3.0×108 m/s） 

e：单个电子带电量（1.6×10-19 C） 

E：电极所受到的光功率（W） 

λ：入射光波长（m） 

简化后得：

特别注意： 

①E是电极所受到的光功率，单位为W，在AQY和STH的计算中使用的是光功率密度，单位为mW/cm2。 

②当光斑大小与电极尺寸大小一致时，无需考虑光斑不均匀的问题，但如果是使用氙灯等光斑不均匀的光源时，需要计算光斑的平均光功率。关于不均匀光斑的光功率密度测量，后续会进行单独介绍。 

◆测量方法 由公式（2）可知，IPCE的计算需要确认外电路电流值I、电极所受到的光功率E和入射光波长λ。 

①外电路电流值I 在光照条件下，光电极材料受光照后会产生光生电流，通过电化学工作站可以测得不同电势下的光生电流值。因电极材料本身为导体/半导体，故在非受光条件下电流并不为零，即I暗0，为保证测量的准确性，当暗电流较大时，需进行基底扣除，即在同一电势下，测定光电流与暗电流，然后进行基底扣除。即I=I光-I暗。 

②电极所受到的光功率E、入射光波长λ 为保证计算准确，应选择窄带波光源，即FWHM≤10 nm半波带宽（Full Width at half Maxima，FWHM）[2]建议选择单激光光源或单波长LED光源。

图2. 氙灯光源配合带通405 nm滤光片和405 nm激光器的光谱图

[1] 李灿， 太阳能转化科学与技术[M]. 北京，北京科学出版社， 2020： 148 

[2] 西安交通大学. GB/T 26915-2011太阳能光催化分解水制氢体系的能量转换效率与量子效率计算[S]. 北京: 中国标准出版社,2012: 3