在利用太阳能的各种途径中，光催化转换提供了一种解决方案，可以克服太阳能时空不连续性和直接通过储存太阳能到燃料或高价值化学品的化学键中储存太阳能的困难[1]。这一过程被称为人工光合作用，它模仿自然光合作用的能量转换机制，利用光电效应和仿生酶催化作用将太阳能直接转化为化学能[1]，[2]，[3]。1972年Fujishima和Honda报道了基于二氧化钛（TiO2）的光阳极用于水分解[4]之后，太阳能驱动的光催化水分解制氢已成为太阳能转换技术中最突出的研究领域之一。光电化学（PEC）系统直接结合了光吸收材料和催化剂。在光照下，这些系统产生电子-空穴对，这些电子-空穴对在内部电场或外加偏压的作用下被驱动到催化活性位点，从而引发氧化还原反应。虽然TiO2是最早用于PEC水分解的材料，但其宽禁带（约3.2 eV）限制了其对整个太阳光谱的利用，导致太阳能到氢的转化效率难以超过1%。因此，在过去的五十年中，研究人员广泛探索了各种替代半导体材料。对于负责通过水分解产生氢的光阴极，主要的研究方向包括：1）商业光伏（PV）材料，例如硅（Si）[5]，[6]，[7]和碲化镉（CdTe）[8]；2）III-V族化合物，例如砷化镓（GaAs）[9]，[10]和磷化铟（InP）[11]；3）新兴的钙钛矿材料[12]；4）铜基氧化物，例如氧化铜（Cu2O）[13]和氧化铜铋（CuBi2O4）[14]，[15]；5）铜基硫化物，例如CuInS2[16]，Cu(In,Ga)Se2（CIGS），Cu3BiS3，Cu2ZnSnS4（CZTS）和Cu2ZnSnS(Se)4（CZTSSe）[17]，[18]，[19]，[20]；6）基于锑的硫属化合物，如硫化锑（Sb2S3）[21]和硒化锑（Sb2Se3）[22]。
传统的晶体硅材料由于证明的高效率和稳定性而在光伏市场中占据主导地位，并已成功商业化。然而，其制造过程需要超过1000°C的温度和约200 μm的厚度才能充分吸收阳光，这大大增加了生产成本[23]。迄今为止，最先进的硅基光阴极展示出的光电流密度超过了30 mA cm-2[24]，[25]。然而，硅在电解质环境中本质上不稳定，在外加电位下容易形成SiOx绝缘层，因此需要依赖MIS（金属-绝缘体-半导体）结构[26]，[27]。CdTe是仅次于晶体硅的第二大成熟商业光伏材料，但其镉的毒性限制了其可持续发展的潜力[28]。III-V族基光阴极，以GaInP2/GaAs为代表，仍处于效率前沿，但面临复杂的制造和高成本的挑战[29]。它们在酸性氢生成反应环境中容易发生In0沉淀和表面金属化，导致光电压下降[30]。GaInP和GaAs在电解质环境中还会“自溶解”，需要使用复杂的保护层[31]。尽管在十年内取得了与硅发展数十年相当的光效率突破，新兴的钙钛矿材料仍受限于内在稳定性限制[32]。基于黄铜矿的光阴极已被证明具有出色的效率，而基于硅的光阴极在这方面排名第二[6]。然而，其晶体组成中Ga、In等元素的稀缺性限制了它们的大规模应用潜力。具有Kesterite型结构的CZTS和CZTSSe在光伏和PEC器件研究中很受欢迎，其丰富的元素组成得到了众多研究的证实[33]，[34]。最先进的CZTSSe光阴极的最大外加偏压光电流效率（ABPE）已超过7%[35]。然而，其组分的多样性使得在制备过程中更容易引入杂质，从而导致复杂的缺陷特性。例如，Kesterite型材料通常优先防止在高质量薄膜生长过程中形成多种杂质相以及复合缺陷（多个反向缺陷对）[36]。鉴于这些材料挑战，开发高效、稳定、经济且环保的光阴极材料至关重要。
Sb2Se3是一种新兴的半导体材料，近年来由于其独特的光电性能和环境友好特性而在PEC水分解领域引起了广泛关注。本文全面介绍了Sb2Se3的基本性质、晶体结构、光电特性、研究进展和未来发展方向。文章对基于Sb2Se3的光阴极在太阳能驱动的氢生成反应中的最新进展和挑战进行了全面分析。本文提出的见解和讨论将为推进光阴极技术和太阳能燃料应用提供新的视角。
