Photocathode dựa trên chất nền silicon trong quá trình tách nước quang điện hóa +
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.
Vai trò của điện cực Si trong tế bào PEC bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi loại pha tạp của nó. Si loại n (n-Si) thường được sử dụng làm cực dương quang cho phản ứng tạo ra oxy (OER), trong khi Si loại p (p-Si) là lựa chọn ưu tiên làm cực dương quang cho phản ứng tạo ra hydro (HER).
PAM-XIAMEN có thể cung cấp tấm silicon, loại vật liệu tiết kiệm chi phí phù hợp cho thử nghiệm quy trình và thí nghiệm chứng minh khái niệm sơ bộ, cho dự án nghiên cứu và phát triển tập trung vào tách nước quang điện hóa (PEC). Để biết thêm thông số kỹ thuật, vui lòng tham khảohttps://www.powerwaywafer.com/silicon-wafer.
1. Nguyên tắc cơ bản: Uốn dải và tách điện tích trong silicon
Khi chất bán dẫn loại ap được tiếp xúc với chất điện phân hoặc kim loại có công năng cao hơn (ví dụ Pt, W = ~5,6eV so với chân không), các electron chuyển từ chất bán dẫn sang bề mặt cho đến khi các mức Fermi thẳng hàng. Điều này tạo ra một lớp cạn kiệt ở bề mặt p Si và các dải năng lượng bị uốn cong xuống phía bề mặt phân cách. Sự uốn cong dải hướng xuống tạo điều kiện cho sự di chuyển của các electron được quang sinh về phía bề mặt, nơi chúng có thể khử proton thành hydro, trong khi các lỗ trống được quang sinh được đưa vào khối.
Đối với n Si, sự tiếp xúc tương tự sẽ tạo ra sự uốn cong dải hướng lên, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển lỗ lên bề mặt để oxy hóa nước. Do đó, p Si vốn đã phù hợp với tế bào quang HER.Nội dung sau đây trình bày chi tiết về photocathode Si loại p để tách nước PEC
2. Ưu điểm của p‑Si đối với thiết kế cathode quang điện
2.1 Dòng quang điện cao và khả năng khởi phát dương tính thông qua kỹ thuật chuyển chất mang
Một minh chứng trực tiếp về tiềm năng của p-Si là tế bào quang điện p-Si/TiO₂/HfO₂/MoS₂/Pt được báo cáo bởi Li và cộng sự. Điện cực được chế tạo bằng cách lắng đọng lớp nguyên tử TiO₂ và HfO₂ trên p-Si, sau đó là phân hủy nhiệt MoS₂ và lắng đọng điện hóa Pt.
Hình 1 Đường cong vôn kế quét tuyến tính (LSV) của một loạt các tế bào quang điện
- Bare p‑Si exhibits a poor photocurrent density of about –1.9mA cm⁻² and an onset potential of –0.1V vs. RHE.
- Sau khi lắng đọng TiO₂ và HfO₂, dòng quang được cải thiện.
- Với việc bổ sung MoS₂, điện thế khởi phát sẽ chuyển sang +0,1V so với 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.
Hiệu suất vượt trội này là nhờ tăng cường khả năng truyền sóng mang và giảm tái hợp, được chứng minh bằng hiện tượng quang phát quang phân giải theo thời gian (TRPL) và quang phổ dòng quang điều chế cường độ (CIMPS).
2.2 Làm phẳng hàng rào Schottky Pt/p-Si bằng lớp đệm graphene
Một vấn đề dai dẳng ở quang catốt Pt/p-Si là rào cản Schottky lớn gây ra bởi sự không khớp giữa mức Fermi của p‑Si (≈–5.1eV) và Pt (≈–5.6eV). Zhu và cộng sự. [2023] đã giới thiệu bộ đệm graphene một lớp giữa p-Si và Pt. Graphene có công năng khoảng –4,5eV, nằm giữa p‑Si và Pt, tạo ra một khung năng lượng bậc thang tạo điều kiện thuận lợi cho sự vận chuyển điện tử.
Hình 2 Đường cong LSV của Pt/p-Si có và không có đệm graphene dưới ánh sáng 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.
- Điện thế ban đầu chuyển từ –0,061V sang +0,296V so với Ag/AgCl, cho thấy sự cải thiện đáng kể về điện áp mạch hở.
Quang phổ trở kháng điện hóa (EIS) xác nhận thêm rằng bộ đệm graphene làm giảm điện trở truyền điện tích. Hình 3 cho thấy hình bán nguyệt nhỏ hơn nhiều của Pt/graphene/p-Si so với Pt/p-Si.
Hình 3 Sơ đồ EIS của quang catốt Pt/p-Si đệm graphene và không đệm graphene
2.3 Tăng cường độ ổn định bằng cách sử dụng các lớp bảo vệ
P-Si trần dễ bị ăn mòn quang học trong dung dịch điện phân. Li và cộng sự. [2024] đã sử dụng lớp kép TiO₂/HfO₂ lắng đọng ALD làm lớp phủ bảo vệ. Lớp HfO₂ mang lại sự ổn định và thụ động hóa học tuyệt vời.
Hình 4 Đường cong thời gian hiện tại (i‑t) quang cảm ứng ở –1V so với RHE
- p‑Si/TiO₂/HfO₂ maintains a stable photocurrent for 1 hour.
- Mẫu không có HfO₂ (chỉ TiO₂) sẽ bị phân hủy nhanh chóng.
Hơn nữa, phổ TRPL ở Li et al. cho thấy tuổi thọ huỳnh quang trung bình tăng từ 30,56ns (p-Si trần) lên 34,06ns sau khi lắng đọng TiO₂/HfO₂, cho thấy sự tái hợp chất mang bị ức chế.
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.
Hình 5 Đo cường độ thời gian trong 1 giờ ở 0,5V so với Ag/AgCl
2.4 Dị tiếp xúc để cải thiện quang điện
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.
Mặc dù dòng quang tuyệt đối thấp hơn so với dòng quang của các hệ thống dựa trên Pt được tối ưu hóa, nhưng tiếp xúc dị thể p-Si/ZnO thể hiện nguyên tắc sử dụng p-Si làm nền tảng cho trường tích hợp điều khiển các hạt mang quang.
2.5 Kỹ thuật hình thái để tăng cường thu hoạch ánh sáng
Planar p‑Si phản xạ một phần lớn ánh sáng tới. Cấu trúc vi mô và nano là chiến lược hiệu quả để giảm phản xạ và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng. Cheng và cộng sự. [2022] đã xem xét nhiều hình thái p-Si khác nhau, bao gồm kim tự tháp vi mô, dây vi mô, dây nano và thanh nano.
Hình 6. Các cấu trúc vi mô khác nhau của Si trần: (A, B) ảnh SEM cắt ngang và nhìn từ trên xuống của mảng micropyramid n⁺ Si; (C) quang phổ phản xạ; (D, E) Ảnh SEM của vi dây Si; (F) quang phổ phản xạ
Tóm lại, tấm bán dẫn silicon không chỉ là sự lựa chọn hợp lý về mặt khoa học mà còn là nền tảng đầy hứa hẹn để phát triển các catốt quang hiệu quả, ổn định và có thể mở rộng để tách nước bằng năng lượng mặt trời.
Nếu bạn cần chất nền silicon cho nghiên cứu hay ứng dụng công nghiệp, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email tại[email protected] và [email protected].
Tài liệu tham khảo:
- Li, J., Bai, J., Hu, S., Yuan, W., Bu, Y., & Guo, X. (2024). Xây dựng cathode dị thể P-Si/TiO2/HfO2/MoS2/Pt mới để tăng cường khả năng tách nước quang điện hóa. Nghiên cứu Nano, 17(5), 4428-4436.
- Zhu, X., Yu, X., Li, J., Li, H., Wang, S., Xu, Y., … & Ma, L. (2023). Graphene tăng cường khả năng phân tách nước bằng quang điện hóa bằng cách giảm thiểu rào cản bề mặt giữa cathode quang điện Pt/p-Si. ChemPhotoChem, 7(7), e202200272.
- Mitta, SB, Murahari, P., Nandanapalli, KR, Mudusu, D., Karuppannan, R., & Whang, D. (2018). Cấu trúc dị thể Si/ZnO cho các ứng dụng điốt và tách nước hiệu quả. Tạp chí Quốc tế về Năng lượng Hydro, 43(33), 16015-16023.
- Cheng, C., Zhang, W., Chen, X., Peng, S., & Li, Y. (2022). Các chiến lược cải thiện hiệu suất tách nước quang điện hóa của các điện cực dựa trên Si. Khoa học & Kỹ thuật Năng lượng, 10(4), 1526-1543.