用于太阳能水分解的nSi光电阴极中光吸收和反应位点的空间解耦

太阳能驱动的光化学(PEC)水分解法是一种将太阳能转换为化学能的有吸引力的方法。在许多光电极材料中，由于晶体硅(c-Si)的地球丰度，窄的带隙以及适合氢析出反应(HER)的合适的能带边缘位置，因此备受关注。然而，c-Si遭受固液结产生的低光电压。

为了获得高光电压，已采用了各种策略，例如pn同质结，金属-绝缘体-半导体(MIS)结和pn异质结的构造。MIS结由于其简单的制造以及比pn结具有更高效率的潜力而成为PEC水分解的关注焦点。但是，据报道硅基MIS光电阴极非常有限，其效率超过5%，远低于pn结光电阴极(10%)的效率。

为了提高效率，p-Si MIS光电阴极的主要挑战之一是从HER催化剂(如Pt，Ni-Mo等)吸收寄生光。传统的MIS光电阴极由p-Si制造，其中光生少数载流子(电子)在前面驱动还原反应。这可以转化为以下事实：催化剂必须放置在MIS结的同一侧。因此，从催化剂吸收的寄生光将严重限制光电流密度。MIS结中的金属层也会引起光学损耗。另一个限制因素是，缺少低功函数金属以在MIS结中与p-Si形成较大的带隙，从而导致较低的光电压。

在《国家科学评论》上发表的一篇研究文章中，天津大学的科学家提出了一种由n-Si制成的独特的光反应解耦MIS光电阴极，克服了严重阻碍p-Si MIS光电阴极发展的挑战。

与以前采用少数载流子来驱动表面还原反应的工作不同，本工作使用n-Si MIS光电阴极的多数载流子(电子)。通过这种简单，非常规但有效的修改，可以将MIS结和催化剂放置在n-Si的相对侧，从而避免了催化剂的遮光问题。

而且，这种由n-Si构成的MIS光电阴极解决了缺乏具有合适的功函数的金属材料以产生用于p-Si MIS光电阴极的大的带偏移的缺点。通过使用具有高透射率的铟锡氧化物(ITO)作为用于n-Si MIS光电阴极的高功函数金属材料，进一步消除了高功函数金属面临的金属覆盖率和光吸收之间的权衡。

结果，与传统的p-Si MIS光电阴极相比，这种照明反应解耦的n-Si MIS光电阴极显示出高于90%的光吸收，高达570 mV的光电压和10.3%的记录效率。

这种简便的策略具有激发使用光透射率低的催化剂的太阳能光电化学系统合理设计的潜力，这是朝着未来太阳能分水大规模商业化迈出的一步。

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