Photocathodes Berdasarkan Substrat Silikon dalam Pemisahan Air Fotoelektrokimia +

Photoelectrochemical water splitting offers a sustainable route to produce hydrogen using solar energy. Among various semiconductor photoelectrodes, silicon is attractive because of its narrow bandgap (1.12 eV), which enables broad absorption of the solar spectrum (300–1200nm), as well as its low cost and well‑established processing technology.

Peranan elektrod Si dalam sel PEC sangat dipengaruhi oleh jenis dopingnya. n‑jenis Si (n‑Si) biasanya digunakan sebagai fotoanod untuk tindak balas evolusi oksigen (OER), manakala p‑jenis Si (p‑Si) ialah pilihan pilihan untuk fotokatod untuk tindak balas evolusi hidrogen (HER).

PAM-XIAMEN mampu membekalkan wafer silikon, yang merupakan bahan kos efektif yang sesuai untuk ujian proses dan eksperimen bukti konsep awal, untuk projek penyelidikan dan pembangunan yang tertumpu pada pemisahan air fotoelektrokimia (PEC). Untuk parameter teknikal tambahan, sila rujukhttps://www.powerwaywafer.com/silicon-wafer.

1. Prinsip Asas: Lenturan Jalur dan Pemisahan Caj dalam Silikon

Apabila semikonduktor jenis ap disentuh dengan elektrolit atau logam dengan fungsi kerja yang lebih tinggi (cth Pt, W = ~5.6eV vs. vakum), pemindahan elektron daripada semikonduktor ke antara muka sehingga tahap Fermi sejajar. Ini mewujudkan lapisan penyusutan pada permukaan p Si, dan jalur tenaga membongkok ke bawah ke arah antara muka. Lenturan jalur ke bawah memudahkan penghijrahan elektron terjana foto ke arah permukaan, di mana ia boleh mengurangkan proton kepada hidrogen, manakala lubang terjana foto didorong ke dalam pukal.

Untuk n Si, sentuhan yang sama akan menghasilkan lenturan jalur ke atas, yang menyokong pengangkutan lubang ke permukaan untuk pengoksidaan air. Oleh itu, p Si sememangnya sesuai untuk fotokatod HER.Kandungan berikut secara khusus menghuraikan fotokatod berasaskan Si jenis p untuk pemisahan air PEC

2. Kelebihan p‑Si untuk Reka Bentuk Photocathode

2.1 Arus Foto Tinggi dan Potensi Permulaan Positif melalui Kejuruteraan Pemindahan Pembawa

Demonstrasi langsung potensi p‑Si ialah fotokatod p‑Si/TiO₂/HfO₂/MoS₂/Pt yang dilaporkan oleh Li et al.. Elektrod dihasilkan oleh pemendapan lapisan atom TiO₂ dan HfO₂ pada p‑Si, diikuti oleh penguraian terma dan elektrod₂t MoS.

Rajah 1 Lengkung voltammetri sapuan linear (LSV) bagi satu siri fotokatod

• Bare p‑Si exhibits a poor photocurrent density of about –1.9mA cm⁻² and an onset potential of –0.1V vs. RHE.
• Selepas pemendapan TiO₂ dan HfO₂, arus foto bertambah baik.
• Dengan penambahan MoS₂, potensi permulaan beralih kepada +0.1V lwn. RHE.
• The full p‑Si/TiO₂/HfO₂/MoS₂/Pt photocathode achieves a photocurrent density of –29mA cm⁻² at 0V vs. RHE and an onset potential of +0.51V vs. RHE.

Prestasi luar biasa ini disebabkan oleh pemindahan pembawa yang dipertingkatkan dan penggabungan semula yang dikurangkan, seperti yang dibuktikan oleh photoluminescence (TRPL) yang diselesaikan masa dan spektroskopi arus foto termodulat intensiti (CIMPS).

2.2 Meratakan Penghalang Pt/p‑Si Schottky dengan Lapisan Penampan Graphene

Masalah berterusan dalam fotokatod Pt/p‑Si ialah penghalang Schottky yang besar disebabkan oleh ketidakpadanan antara tahap Fermi p‑Si (≈–5.1eV) dan Pt (≈–5.6eV). Zhu et al. [2023] memperkenalkan penimbal graphene satu lapisan antara p‑Si dan Pt. Graphene mempunyai fungsi kerja kira-kira –4.5eV, yang terletak di antara p‑Si dan Pt, mewujudkan landskap tenaga bertingkat yang memudahkan pengangkutan elektron.

Rajah 2 lengkung LSV Pt/p‑Si dengan dan tanpa penimbal graphene di bawah pencahayaan AM 1.5G

• Pt/p‑Si gives a photocurrent density of –2.48mA cm⁻² at –0.6V vs. Ag/AgCl.
• Pt/graphene/p‑Si yields –9.73 mA cm⁻² at the same potential – a 3.9‑fold increase.
• Potensi permulaan beralih daripada –0.061V kepada +0.296V berbanding Ag/AgCl, menunjukkan peningkatan yang ketara dalam voltan litar terbuka.

Spektroskopi impedans elektrokimia (EIS) seterusnya mengesahkan bahawa penimbal graphene mengurangkan rintangan pemindahan caj. Rajah 3 menunjukkan separuh bulatan yang lebih kecil untuk Pt/graphene/p‑Si berbanding Pt/p‑Si.

Rajah 3 plot EIS bagi fotokatod Pt/p‑Si graphene tertimpan dan tidak tertimbal

2.3 Kestabilan Dipertingkatkan Menggunakan Lapisan Pelindung

P‑Si terdedah terdedah kepada fotokarat dalam elektrolit akueus. Li et al. [2024] menggunakan dwilapis TiO₂/HfO₂ terdeposit ALD sebagai salutan pelindung. Lapisan HfO₂ memberikan kestabilan kimia dan kepasifan yang sangat baik.

Rajah 4 Lengkung masa semasa (i‑t) teraruh foto pada –1V lwn. RHE

• p‑Si/TiO₂/HfO₂ maintains a stable photocurrent for 1 hour.
• Sampel tanpa HfO₂ (hanya TiO₂) merosot dengan cepat.

Selain itu, spektrum TRPL dalam Li et al. menunjukkan bahawa jangka hayat purata pendarfluor meningkat daripada 30.56ns (p‑Si kosong) kepada 34.06ns selepas pemendapan TiO₂/HfO₂, menunjukkan penggabungan semula pembawa yang ditindas.

Similarly, Mitta et al. [2018] used ZnO nanolayers deposited by pulsed spray pyrolysis on p‑Si. The p‑Si/ZnO photoanode (note: in their work ZnO is n‑type, forming a p‑n junction with p‑Si) exhibits good stability in alkaline electrolyte (pH = 10). The current density decreases by only ~7.5 %, demonstrating the protective role of ZnO.

Rajah 5 Kronoamperometri selama 1 jam pada 0.5V lwn. Ag/AgCl

2.4 Heterojunctions untuk Fotovoltan Diperbaiki

Depositing an n‑type wide‑bandgap semiconductor on p‑Si creates a p‑n heterojunction with a built‑in electric field that enhances charge separation. Mitta et al. fabricated p‑Si/n‑ZnO heterojunctions. Under illumination, the device achieves a photocurrent density of 0.71mA cm⁻² at 1.3V vs. Ag/AgCl with a low onset potential of 0.07V vs. Ag/AgCl.

Walaupun arus foto mutlak lebih rendah daripada sistem berasaskan Pt yang dioptimumkan, heterojunction p-Si/ZnO menunjukkan prinsip menggunakan p-Si sebagai asas untuk medan terbina dalam yang memacu pembawa janaan foto.

2.5 Kejuruteraan Morfologi untuk Meningkatkan Penuaian Cahaya

Planar p‑Si memantulkan sebahagian besar cahaya kejadian. Penstrukturan mikro dan nano ialah strategi yang berkesan untuk mengurangkan pantulan dan meningkatkan penyerapan cahaya. Cheng et al. [2022] menyemak pelbagai morfologi p‑Si, termasuk mikropiramid, wayar mikro, wayar nano dan nanorod.

Rajah 6 Struktur mikro berbeza bagi Si terdedah: (A,B) paparan atas dan imej SEM keratan rentas susunan mikropiramid n⁺p Si; (C) spektrum pemantulan; (D, E) imej SEM bagi wayar mikro Si; (F) spektrum pemantulan

 Ringkasnya, wafer silikon bukan sahaja pilihan yang kukuh dari segi saintifik tetapi juga platform yang sangat menjanjikan untuk membangunkan katod foto yang cekap, stabil dan berskala untuk pemisahan air yang dipacu solar.

Sama ada anda memerlukan substrat silikon untuk penyelidikan atau untuk aplikasi industri, sila hubungi kami e-mel di[email protected] dan [email protected].

 

Rujukan:

1. Li, J., Bai, J., Hu, S., Yuan, W., Bu, Y., & Guo, X. (2024). Pembinaan novel P-Si/TiO2/HfO2/MoS2/Pt heterophotocathode untuk pemisahan air fotoelektrokimia yang dipertingkatkan. Penyelidikan Nano, 17(5), 4428-4436.
2. Zhu, X., Yu, X., Li, J., Li, H., Wang, S., Xu, Y., … & Ma, L. (2023). Pemisahan Air Foto‐Elektrokimia Graphene dengan Mengurangkan Halangan Antara Muka Pt/p‐Si Photocathode. ChemPhotoChem, 7(7), e202200272.
3. Mitta, SB, Murahari, P., Nandanapalli, KR, Mudusu, D., Karuppannan, R., & Whang, D. (2018). Heterostruktur Si/ZnO untuk aplikasi pemisahan air dan diod yang cekap. Jurnal Antarabangsa Tenaga Hidrogen, 43(33), 16015-16023.
4. Cheng, C., Zhang, W., Chen, X., Peng, S., & Li, Y. (2022). Strategi untuk meningkatkan prestasi pemisahan air fotoelektrokimia elektrod berasaskan Si. Sains & Kejuruteraan Tenaga, 10(4), 1526-1543.