Enhanced photoelectrochemical efficiency and stability using a conformal TiO2 film on a black silicon photoanode

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作者
Yanhao Yu,Zheng Zhang,Xin Yin,Alexander Kvit,Qingliang Liao,Zhuo Kang,Xiaoqin Yan,Yue Zhang,Xudong Wang
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:2 (6) 被引量:243
标识
DOI:10.1038/nenergy.2017.45
摘要

Black silicon (b-Si) is a surface-nanostructured Si with extremely efficient light absorption capability and is therefore of interest for solar energy conversion. However, intense charge recombination and low electrochemical stability limit the use of b-Si in photoelectrochemical solar-fuel production. Here we report that a conformal, ultrathin, amorphous TiO2 film deposited by low-temperature atomic layer deposition (ALD) on top of b-Si can simultaneously address both of these issues. Combined with a Co(OH)2 thin film as the oxygen evolution catalyst, this b-Si/TiO2/Co(OH)2 heterostructured photoanode was able to produce a saturated photocurrent density of 32.3 mA cm−2 at an external potential of 1.48 V versus reversible reference electrode (RHE) in 1 M NaOH electrolyte. The enhanced photocurrent relative to planar Si and unprotected b-Si photoelectrodes was attributed to the enhanced charge separation efficiency as a result of the effective passivation of defective sites on the b-Si surface. The 8-nm ALD TiO2 layer extends the operational lifetime of b-Si from less than half an hour to four hours. Nanostructured black silicon can be used as a photoelectrode for solar-driven water splitting, but its high surface area can increase charge recombination and accelerate corrosion. Here the authors show that a thin, conformal film of TiO2 can increase both the photocurrent and the stability of black silicon.
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