NSR：n-Si MIS光电阴极：正面光照、背面反应，空间解耦提升水分解效率

来源：中国科学杂志社

在最近发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）的文章中，天津大学巩金龙团队介绍了一种基于n-Si的金属-绝缘体-半导体结光电阴极，将阴极光氢能量转换效率提升至10.3%。与p-Si基光电阴极相比，该光电阴极将光照和催化析氢反应在空间上分隔开来，从而提高了光能的利用效率。

光照-反应空间解耦的n-Si MIS光电阴极的结构示意图

光电化学水分解制氢可以直接将太阳能转化为化学能（氢能），这一反应需要阴阳两极。在光电阴极上，又集成着两组材料单元：将光能转化为电的光电单元（光吸收单元），以及在电能驱动下催化水分解制氢的催化单元。

理论上，单晶硅基的金属-绝缘体-半导体（MIS）结可以成为一种优质的光电单元材料，其制备方法简单，且理论效率超过p-n结等其他材料。然而实际应用中，基于p型硅（Si）的p-Si MIS光电阴极的能量效率却始终没有突破5%，与p-n结光电阴极效率普遍达到10%的水平相差甚远。 

p-Si MIS结光电阴极能量效率不佳的主要原因有几个：

p-Si MIS结光电阴极利用少数载流子（电子）驱动析氢反应，这意味着光电单元（MIS结）与催化单元（Pt催化剂）位于同侧，光线要首先经过Pt产氢催化剂，才能到达MIS结，而催化剂会吸收部分光能（寄生光吸收）。

MIS结中的金属层也会吸收部分光能，限制光电流的产生。

缺少能够与p-Si形成有效能带偏移的低功函数的金属，因而光生电压较低。 

而在这项工作中，研究者使用n-Si构建MIS结光电阴极，在很大程度上解决了上述问题：

首先，n-Si MIS结光电阴极利用n-Si中的多数载流子参与电极表面的析氢反应。因此，可以将MIS结和Pt催化剂分别放置在n-Si的两侧，以实现光电单元与催化单元的空间解耦，消除由催化剂所带来的遮光问题。

其次，以n-Si替代传统的p-Si，能够丰富MIS结中金属性材料的选择。研究者以具备高透光率的氧化铟锡（ITO）为金属性材料，进一步消除了传统MIS结中金属的寄生光吸收，使光阴极的光吸收率提升至90%。

同时，ITO具备高功函数，能够与n-Si形成较大的能带位置差，从而提升电极的光生电压。 

（a）光照-反应空间解耦的n-Si MIS光电阴极的能带结构示意图；（b）p-Si MIS光电阴极的能带结构示意图

综合上述优势，光照-反应空间解耦的n-Si MIS光电阴极展现出35.2 mA/cm2的光电流密度，570 mV的光生电压，以及10.3%的阴极光氢能量转换效率，超过以往文献报道的p-Si MIS光电阴极。

此外，该光电阴极能够与BiVO4光电阳极构建串叠型电解池，实现无外部偏压的光电催化水分解制氢。

光照-反应空间解耦n-Si MIS光电阴极的（a）结构示意图；（b）电流-电压曲线；（c）氢气法拉第效率；（d）外加偏压下的太阳能转换效率；（e）稳定性测试。

该研究为消除p-SiMIS光电阴极中光吸收和催化活性之间的矛盾提供了一种简便的策略，为采用光透射率较差的催化剂的光电化学系统的合理设计提供了启发，并为未来太阳能分解水的大规模商业化利用提供了可能。

文章信息：

Spatial decoupling of light absorption and reaction sites in n-Si photocathodes for solar water splitting

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa293