La división de agua fotoelectroquímica impulsada por energía solar (PEC) es un enfoque atractivo para convertir la energía solar en energía química. Entre muchos materiales de fotoelectrodos, El silicio cristalino (c-Si) ha atraído una atención considerable debido a su abundancia de tierra, banda prohibida estrecha, y posición adecuada del borde de la banda para la reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER). Sin embargo, El c-Si sufre de un bajo fotovoltaje generado por la unión sólido-líquido.

Varias estrategias, como la construcción de homouniones p-n, uniones metal-aislante-semiconductor (MIS) y heterouniones p-n, han sido adoptados para obtener un alto fotovoltaje. Las uniones MIS han sido el foco de atención en la división del agua PEC debido a su simple fabricación y al potencial de lograr mayores eficiencias que las uniones p-n. Sin embargo, hay muy pocos fotocátodos MIS basados ​​en Si reportados con una eficiencia superior al 5%, mucho más bajo que el del fotocátodo de unión p-n (10%).

Uno de los principales desafíos de los fotocátodos p-Si MIS para una mayor eficiencia es la absorción de luz parásita de los catalizadores HER como Pt, Ni-Mo, Los fotocátodos tradicionales MIS se fabrican a partir de p-Si, donde los portadores minoritarios fotogenerados (electrones) impulsan la reacción de reducción en la superficie frontal. Esto podría traducirse en el hecho de que el catalizador debe colocarse en el mismo lado de la unión MIS. Por lo tanto, la absorción de luz parásita de los catalizadores limitará severamente la densidad de la fotocorriente. Las capas de metal en la unión MIS también causan pérdida óptica. Otro factor limitante es la falta de metales de baja función de trabajo para formar un desplazamiento de banda grande con p-Si en la unión MIS, resultando en un fotovoltaje bajo.

En un artículo de investigación publicado en Revista Nacional de Ciencias , Los científicos de la Universidad de Tianjin presentan un fotocátodo MIS desacoplado de reacción de iluminación único fabricado a partir de n-Si, que supera los desafíos que obstaculizan seriamente el desarrollo del fotocátodo p-Si MIS.

A diferencia de trabajos anteriores que emplean portadores minoritarios para impulsar la reacción de reducción de superficie, la mayoría de los portadores (electrones) del fotocátodo n-Si MIS se utilizan en este trabajo. Sobre este simple, modificación poco convencional pero eficaz, la unión MIS y el catalizador se pueden colocar en los lados opuestos de n-Si, lo que evita el problema de protección contra la luz del catalizador.

Es más, este fotocátodo MIS construido a partir de n-Si aborda el inconveniente de la falta de materiales metálicos con una función de trabajo adecuada para generar un desplazamiento de banda grande para el fotocátodo p-Si MIS. Al utilizar óxido de indio y estaño (ITO) con una alta transmitancia como material metálico de alta función de trabajo para el fotocátodo n-Si MIS, la compensación entre la cobertura de metal y la absorción de luz que enfrentan los metales de alta función de trabajo se elimina aún más.

Como resultado, este fotocátodo n-Si MIS desacoplado por reacción de iluminación exhibe una absorción de luz superior al 90%, un fotovoltaje de hasta 570 mV, y una eficiencia registrada del 10,3%, superando los fotocátodos p-Si MIS tradicionales.

Esta estrategia fácil exhibe un potencial para inspirar el diseño racional de sistemas fotoelectroquímicos alimentados por energía solar que utilizan catalizadores con baja transmitancia de luz. un paso adelante hacia la futura comercialización a gran escala de la división solar del agua.