Fotokatoder baserade på kiselsubstrat i fotoelektrokemisk vattendelning +

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.

Rollen för en Si-elektrod i en PEC-cell påverkas starkt av dess dopningstyp. n-typ Si (n-Si) används vanligtvis som en fotoanod för syreutvecklingsreaktionen (OER), medan p-typ Si (p-Si) är det föredragna valet för en fotokatod för väteutvecklingsreaktionen (HER).

PAM-XIAMEN kan leverera kiselwafers, som är kostnadseffektivt material lämpligt för processtester och preliminära proof-of-concept-experiment, för forsknings- och utvecklingsprojekt fokuserat på fotoelektrokemisk (PEC) vattenspjälkning. För ytterligare tekniska parametrar, sehttps://www.powerwaywafer.com/silicon-wafer.

1. Grundläggande principer: Bandböjning och laddningsseparation i kisel

När halvledare av ap-typ bringas i kontakt med en elektrolyt eller en metall med högre arbetsfunktion (t.ex. Pt, W = ~5.6eV vs. vakuum), överförs elektroner från halvledaren till gränssnittet tills Fermi-nivåerna är i linje. Detta skapar ett utarmningsskikt vid pSi-ytan, och energibanden böjs nedåt mot gränsytan. Bandböjning nedåt underlättar migreringen av fotogenererade elektroner mot ytan, där de kan reducera protoner till väte, medan fotogenererade hål drivs in i bulken.

För n Si skulle samma kontakt ge uppåtgående bandböjning, vilket gynnar håltransport till ytan för vattenoxidation. Därför är p Si i sig lämpad för HER-fotokatoder.Följande innehåll utvecklar specifikt p-typ Si-baserad fotokatod för PEC-vattenuppdelning

2. Fördelar med p-Si för fotokatoddesign

2.1 Hög fotoström och positiv insättningspotential via Carrier Transfer Engineering

En direkt demonstration av potentialen för p-Si är p-Si/TiO₂/HfO₂/MoS₂/Pt-fotokatoden rapporterad av Li et al.. Elektroden tillverkas genom atomskiktsavsättning av TiO₂ och HfO₂ på p‑Si, följt av termisk nedbrytning av P.S₂ och termisk nedbrytning.

Fig. 1 Kurvor för linjär svepvoltammetri (LSV) för en serie fotokatoder

• Bare p‑Si exhibits a poor photocurrent density of about –1.9mA cm⁻² and an onset potential of –0.1V vs. RHE.
• Efter avsättning av TiO2 och HfO2 förbättras fotoströmmen.
• Med tillägg av MoS2 skiftar startpotentialen till +0,1V mot 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.

Denna anmärkningsvärda prestanda tillskrivs förbättrad bäraröverföring och minskad rekombination, vilket framgår av tidsupplöst fotoluminescens (TRPL) och intensitetsmodulerad fotoströmspektroskopi (CIMPS).

2.2 Platta ut Pt/p‑Si Schottky-barriären med ett grafenbuffertlager

Ett bestående problem i Pt/p‑Si-fotokatoder är den stora Schottky-barriären som orsakas av obalansen mellan Fermi-nivåerna för p‑Si (≈–5,1eV) och Pt (≈–5,6eV). Zhu et al. [2023] introducerade en enkellagers grafenbuffert mellan p-Si och Pt. Grafen har en arbetsfunktion på cirka –4,5 eV, vilket ligger mellan de för p-Si och Pt, vilket skapar ett stegvis energilandskap som underlättar elektrontransport.

Fig. 2 LSV-kurvor för Pt/p‑Si med och utan grafenbufferten under AM 1,5G-belysning

• 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.
• Startpotentialen skiftar från –0,061V till +0,296V mot Ag/AgCl, vilket indikerar en avsevärd förbättring av öppen kretsspänning.

Elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) bekräftar ytterligare att grafenbufferten minskar laddningsöverföringsmotståndet. Fig. 3 visar en mycket mindre halvcirkel för Pt/grafen/p‑Si jämfört med Pt/p‑Si.

Fig. 3 EIS-diagram av grafenbuffrade och icke-buffrade Pt/p-Si-fotokatoder

2.3 Förbättrad stabilitet med hjälp av skyddande lager

Bare p‑Si är benäget att fotokorrosion i vattenhaltiga elektrolyter. Li et al. [2024] använde ett ALD-deponerat TiO₂/HfO₂-dubbelskikt som en skyddande beläggning. HfO₂-skiktet ger utmärkt kemisk stabilitet och passivering.

Fig. 4 Fotoinducerade ström-tid (i-t) kurvor vid –1V vs. RHE

• p‑Si/TiO₂/HfO₂ maintains a stable photocurrent for 1 hour.
• Provet utan HfO2 (endast TiO2) bryts ned snabbt.

Dessutom TRPL-spektra i Li et al. visar att den genomsnittliga fluorescenslivslängden ökar från 30,56 ns (bar p-Si) till 34,06 ns efter TiO₂/HfO₂-avsättning, vilket indikerar undertryckt bärarrekombination.

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.

Fig. 5 Kronamperometri under 1 timme vid 0,5V vs. Ag/AgCl

2.4 Heteroövergångar för förbättrad fotospänning

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.

Även om den absoluta fotoströmmen är lägre än för optimerade Pt-baserade system, demonstrerar p-Si/ZnO-heteroövergången principen att använda p-Si som en grund för ett inbyggt fält som driver fotogenererade bärare.

2.5 Morfologisk teknik för att förbättra ljusskörd

Planar p-Si reflekterar en stor del av infallande ljus. Mikro- och nanostrukturering är effektiva strategier för att minska reflektion och öka ljusabsorptionen. Cheng et al. [2022] granskade olika p-Si-morfologier, inklusive mikropyramider, mikrotrådar, nanotrådar och nanorods.

Fig. 6 Olika mikrostrukturer av bart Si: (A,B) SEM-bilder med ovan- och tvärsnitt av n+p Si-mikropyramiduppsättningar; (C) reflektansspektra; (D,E) SEM-bilder av Si-mikrotrådar; (F) reflektansspektra

 Sammanfattningsvis är kiselskiva inte bara ett vetenskapligt välgrundat val utan också en mycket lovande plattform för att utveckla effektiva, stabila och skalbara fotokatoder för soldriven vattenklyvning.

Oavsett om du behöver kiselsubstrat för forskning eller för industriella tillämpningar, vänligen kontakta oss via e-post på[email protected] och [email protected].

 

Referenser:

1. Li, J., Bai, J., Hu, S., Yuan, W., Bu, Y., & Guo, X. (2024). Konstruktion av ny heterofotokatod P-Si/TiO2/HfO2/MoS2/Pt för förbättrad fotoelektrokemisk vattenuppdelning. Nano Research, 17(5), 4428-4436.
2. Zhu, X., Yu, X., Li, J., Li, H., Wang, S., Xu, Y., … & Ma, L. (2023). Grafen förbättrad fotoelektrokemisk vattendelning genom att minska Pt/p-Si fotokatodgränssnittsbarriären. ChemPhotoChem, 7(7), e202200272.
3. Mitta, SB, Murahari, P., Nandanapalli, KR, Mudusu, D., Karuppannan, R., & Whang, D. (2018). Si/ZnO-heterostrukturer för effektiva diod- och vattenuppdelningsapplikationer. International Journal of Hydrogen Energy, 43(33), 16015-16023.
4. Cheng, C., Zhang, W., Chen, X., Peng, S., & Li, Y. (2022). Strategier för att förbättra fotoelektrokemisk vattenklyvningsprestanda för Si-baserade elektroder. Energy Science & Engineering, 10(4), 1526-1543.