La division de l'eau photoélectrochimique (PEC) à énergie solaire est une approche attrayante pour convertir l'énergie solaire en énergie chimique. Parmi de nombreux matériaux de photoélectrode, le silicium cristallin (c-Si) a attiré une attention considérable en raison de son abondance de terre, bande interdite étroite, et une position de bord de bande appropriée pour la réaction de dégagement d'hydrogène (HER). Cependant, Le c-Si souffre d'une faible tension photovoltaïque générée par la jonction solide-liquide.

Diverses stratégies, comme la construction d'homojonctions p-n, jonctions métal-isolant-semiconducteur (MIS) et hétérojonctions p-n, ont été adoptées pour obtenir une haute tension photovoltaïque. Les jonctions MIS ont été au centre de l'attention dans la division de l'eau PEC en raison de leur fabrication simple et de la possibilité d'atteindre des rendements plus élevés que les jonctions p-n. Cependant, il existe très peu de photocathodes MIS à base de Si signalées avec une efficacité supérieure à 5%, bien inférieur à celui de la photocathode à jonction p-n (10 %).

L'un des défis majeurs des photocathodes p-Si MIS pour une plus grande efficacité est l'absorption de lumière parasite des catalyseurs HER tels que Pt, Ni-Mo, etc. Les photocathodes MIS traditionnelles sont fabriquées à partir de p-Si, où les porteurs minoritaires photogénérés (électrons) entraînent la réaction de réduction à la surface avant. Cela pourrait se traduire par le fait que le catalyseur doit être placé du même côté de la jonction MIS. Ainsi, l'absorption de lumière parasite des catalyseurs limitera sévèrement la densité de photocourant. Les couches métalliques de la jonction MIS provoquent également une perte optique. Un autre facteur limitant est le manque de métaux à faible travail d'extraction pour former un décalage de large bande avec p-Si dans la jonction MIS, résultant en une faible tension photovoltaïque.

Dans un article de recherche publié dans Revue scientifique nationale , des scientifiques de l'Université de Tianjin présentent une photocathode MIS découplée par illumination-réaction, fabriquée à partir de n-Si, qui surmonte les défis qui entravent sérieusement le développement de la photocathode p-Si MIS.

Différent des travaux précédents qui utilisent des porteurs minoritaires pour conduire la réaction de réduction de surface, les porteurs majoritaires (électrons) de la photocathode n-Si MIS sont utilisés dans ce travail. Sur ce simple, modification non conventionnelle mais efficace, la jonction MIS et le catalyseur peuvent être placés sur les côtés opposés du n-Si, ce qui évite le problème de protection contre la lumière du catalyseur.

De plus, cette photocathode MIS construite à partir de n-Si résout l'inconvénient de manquer de matériaux métalliques avec un travail de sortie approprié pour générer un décalage de large bande pour la photocathode MIS p-Si. En utilisant de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) avec une transmittance élevée comme matériau métallique à travail d'extraction élevé pour la photocathode n-Si MIS, le compromis entre la couverture métallique et l'absorption de la lumière face aux métaux à haut travail d'extraction est encore éliminé.

Par conséquent, cette photocathode n-Si MIS découplée illumination-réaction présente une absorption lumineuse supérieure à 90 %, une tension photovoltaïque jusqu'à 570 mV, et un rendement enregistré de 10,3 %, dépassant les photocathodes traditionnelles p-Si MIS.

Cette stratégie facile présente un potentiel pour inspirer la conception rationnelle de systèmes photoélectrochimiques à énergie solaire qui utilisent des catalyseurs avec une faible transmission de la lumière, un pas en avant vers la future commercialisation à grande échelle de la séparation solaire de l'eau.