Interface engineering of Ta3N5 thin film photoanode for highly efficient photoelectrochemical water splitting

材料科学 分解水 图层(电子) 光电子学 能量转换效率 电解质 纳米技术 薄膜 异质结 光催化 光电化学 半导体 电极 化学 催化作用 电化学 物理化学 生物化学
作者
Jie Fu,Zeyu Fan,Mamiko Nakabayashi,Huanxin Ju,Nadiia Pastukhova,Yequan Xiao,Chao Feng,Naoya Shibata,Kazunari Domen,Yanbo Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1): 729-729 被引量:197
标识
DOI:10.1038/s41467-022-28415-4
摘要

Interface engineering is a proven strategy to improve the efficiency of thin film semiconductor based solar energy conversion devices. Ta3N5 thin film photoanode is a promising candidate for photoelectrochemical (PEC) water splitting. Yet, a concerted effort to engineer both the bottom and top interfaces of Ta3N5 thin film photoanode is still lacking. Here, we employ n-type In:GaN and p-type Mg:GaN to modify the bottom and top interfaces of Ta3N5 thin film photoanode, respectively. The obtained In:GaN/Ta3N5/Mg:GaN heterojunction photoanode shows enhanced bulk carrier separation capability and better injection efficiency at photoanode/electrolyte interface, which lead to a record-high applied bias photon-to-current efficiency of 3.46% for Ta3N5-based photoanode. Furthermore, the roles of the In:GaN and Mg:GaN layers are distinguished through mechanistic studies. While the In:GaN layer contributes mainly to the enhanced bulk charge separation efficiency, the Mg:GaN layer improves the surface charge inject efficiency. This work demonstrates the crucial role of proper interface engineering for thin film-based photoanode in achieving efficient PEC water splitting.
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