Soldriven fotoelektrokemisk (PEC) vattenklyvning är ett attraktivt sätt att omvandla solenergi till kemisk energi. Bland många fotoelektrodmaterial, kristallint kisel (c-Si) har väckt stor uppmärksamhet på grund av sitt överflöd på jorden, smalt bandgap, och lämplig bandkantposition för väteutvecklingsreaktion (HER). Dock, c-Si lider av låg fotospänning som genereras från fast-vätska-övergången.

Olika strategier, såsom konstruktion av p-n-homojunctions, metall-isolator-halvledare (MIS)-övergångar och p-n-heteroövergångar, har antagits för att få hög fotospänning. MIS-korsningarna har varit i fokus vid PEC-vattenuppdelning på grund av deras enkla tillverkning och potentialen att uppnå högre effektivitet än p-n-övergångar. Dock, det finns mycket begränsade Si-baserade MIS-fotokatoder rapporterade med effektivitet som överstiger 5 %, mycket lägre än för p-n-övergångsfotokatoden (10%).

En av de stora utmaningarna med p-Si MIS-fotokatoder för högre effektivitet är den parasitära ljusabsorptionen från HER-katalysatorer som Pt, Ni-Mo, etc. Traditionella MIS-fotokatoder tillverkas av p-Si, där de fotogenererade minoritetsbärarna (elektronerna) driver reduktionsreaktionen vid frontytan. Detta kan översättas till det faktum att katalysatorn måste placeras på samma sida av MIS-korsningen. Således, den parasitiska ljusabsorptionen från katalysatorer kommer att kraftigt begränsa fotoströmdensiteten. Metallskikten i MIS-övergången orsakar också optisk förlust. En annan begränsande faktor är bristen på metaller med låg arbetsfunktion för att bilda en stor bandförskjutning med p-Si i MIS-övergången, vilket resulterar i låg fotospänning.

I en forskningsartikel publicerad i National Science Review , forskare vid Tianjin University presenterar en unik belysningsreaktion frikopplad MIS-fotokatod tillverkad av n-Si, som övervinner de utmaningar som allvarligt hindrar utvecklingen av p-Si MIS fotokatod.

Till skillnad från tidigare verk som använder minoritetsbärare för att driva ytreduktionsreaktionen, majoriteten av bärarna (elektronerna) av n-Si MIS-fotokatoden används i detta arbete. På detta enkla, okonventionell men effektiv modifiering, MIS-övergången och katalysatorn kan placeras på motsatta sidor av n-Si, vilket undviker ljusavskärmningsproblemet med katalysator.

Dessutom, denna MIS-fotokatod konstruerad av n-Si tar itu med nackdelen med att sakna metalliska material med lämplig arbetsfunktion för att generera en stor bandförskjutning för p-Si MIS-fotokatod. Genom att använda indiumtennoxid (ITO) med hög transmittans som metalliskt material med hög arbetsfunktion för n-Si MIS-fotokatod, avvägningen mellan metalltäckning och ljusabsorption som möter metaller med hög arbetsfunktion elimineras ytterligare.

Som ett resultat, denna belysningsreaktionsavkopplade n-Si MIS-fotokatod uppvisar en ljusabsorption som är högre än 90 %, en fotospänning upp till 570 mV, och en registrerad effektivitet på 10,3 %, överskrider traditionella p-Si MIS-fotokatoder.

Denna enkla strategi uppvisar en potential att inspirera till den rationella designen av soldrivna fotoelektrokemiska system som använder katalysatorer med dålig ljustransmittans, ett steg framåt mot framtida storskalig kommersialisering av solvattenklyvning.