Door zonne-energie aangedreven foto-elektrochemische (PEC) watersplitsing is een aantrekkelijke benadering om zonne-energie om te zetten in chemische energie. Van de vele foto-elektrodematerialen, kristallijn silicium (c-Si) heeft veel aandacht getrokken vanwege de overvloed aan aarde, smalle bandgap, en geschikte bandrandpositie voor waterstofontwikkelingsreactie (HER). Echter, c-Si lijdt aan een lage fotospanning die wordt gegenereerd door de vast-vloeistofovergang.

verschillende strategieën, zoals de constructie van p-n homojuncties, metaal-isolator-halfgeleider (MIS) juncties en pn heterojuncties, zijn aangenomen om een ​​hoge fotospanning te verkrijgen. De MIS-knooppunten hebben de aandacht gehad bij PEC-watersplitsing vanwege hun eenvoudige fabricage en het potentieel om hogere efficiënties te bereiken dan pn-overgangen. Echter, er zijn zeer beperkte op Si gebaseerde MIS-fotokathoden gerapporteerd met een efficiëntie van meer dan 5%, veel lager dan die van pn-overgang fotokathode (10%).

Een van de grootste uitdagingen van p-Si MIS-fotokathoden voor een hogere efficiëntie is de parasitaire lichtabsorptie van HER-katalysatoren zoals Pt, Ni-Mo, enz. Traditionele MIS-fotokathoden worden vervaardigd uit p-Si, waar de fotogegenereerde minderheidsdragers (elektronen) de reductiereactie aan de voorkant aandrijven. Dit zou kunnen worden vertaald in het feit dat de katalysator aan dezelfde kant van de MIS-junctie moet worden geplaatst. Dus, de parasitaire lichtabsorptie van katalysatoren zal de fotostroomdichtheid ernstig beperken. De metaallagen in de MIS-junctie veroorzaken ook optisch verlies. Een andere beperkende factor is het ontbreken van metalen met een lage werkfunctie om een ​​grote bandoffset te vormen met p-Si in MIS-junctie, resulterend in een lage fotospanning.

In een onderzoeksartikel gepubliceerd in Nationale wetenschappelijke recensie , wetenschappers van de Tianjin University presenteren een unieke licht-reactie ontkoppelde MIS-fotokathode vervaardigd uit n-Si, die de uitdagingen overwint die de ontwikkeling van p-Si MIS-fotokathode ernstig belemmeren.

Anders dan eerdere werken die minderheidsdragers gebruiken om de oppervlaktereductiereactie aan te sturen, de meerderheidsdragers (elektronen) van n-Si MIS-fotokathode worden in dit werk gebruikt. Op deze eenvoudige, onconventionele maar effectieve modificatie, de MIS-overgang en katalysator kunnen aan weerszijden van n-Si worden geplaatst, wat het lichtafschermingsprobleem van de katalysator vermijdt.

Bovendien, deze MIS-fotokathode die is gemaakt van n-Si pakt het nadeel aan van het ontbreken van metalen materialen met een geschikte werkfunctie om een ​​grote bandoffset voor p-Si MIS-fotokathode te genereren. Door gebruik te maken van indiumtinoxide (ITO) met een hoge doorlaatbaarheid als metallisch materiaal met een hoge werkfunctie voor n-Si MIS-fotokathode, de wisselwerking tussen metaaldekking en lichtabsorptie die wordt geconfronteerd met metalen met een hoge werkfunctie wordt verder geëlimineerd.

Als resultaat, deze met belichtingsreactie ontkoppelde n-Si MIS-fotokathode vertoont een lichtabsorptie van meer dan 90%, een fotospanning tot 570 mV, en een geregistreerd rendement van 10,3%, traditionele p-Si MIS-fotokathoden overtreft.

Deze gemakkelijke strategie heeft de potentie om te inspireren tot het rationele ontwerp van foto-elektrochemische systemen op zonne-energie die gebruikmaken van katalysatoren met een slechte lichtdoorlatendheid, een stap voorwaarts in de richting van toekomstige grootschalige commercialisering van zonnewatersplitsing.