Boosting the performance of Cu2O photocathodes for unassisted solar water splitting devices

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作者
Linfeng Pan,Jin Hyun Kim,Matthew T. Mayer,Min‐Kyu Son,Amita Ummadisingu,Jae Sung Lee,Anders Hagfeldt,Jingshan Luo,Michaël Grätzel
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:1 (6): 412-420 被引量:733
标识
DOI:10.1038/s41929-018-0077-6
摘要

Although large research efforts have been devoted to photoelectrochemical (PEC) water splitting in the past several decades, the lack of efficient, stable and Earth-abundant photoelectrodes remains a bottleneck for practical application. Here, we report a photocathode with a coaxial nanowire structure implementing a Cu2O/Ga2O3-buried p–n junction that achieves efficient light harvesting across the whole visible region to over 600 nm, reaching an external quantum yield for hydrogen generation close to 80%. With a photocurrent onset over +1 V against the reversible hydrogen electrode and a photocurrent density of ~10 mA cm−2 at 0 V versus the reversible hydrogen electrode, our electrode constitutes the best oxide photocathode for catalytic generation of hydrogen from sunlight known today. Conformal coating via atomic-layer deposition of a TiO2 protection layer enables stable operation exceeding 100 h. Using NiMo as the hydrogen evolution catalyst, an all Earth-abundant Cu2O photocathode was achieved with stable operation in a weak alkaline electrolyte. To show the practical impact of this photocathode, we constructed an all-oxide unassisted solar water splitting tandem device using state-of-the-art BiVO4 as the photoanode, achieving ~3% solar-to-hydrogen conversion efficiency. The generation of hydrogen fuel from water and visible light requires photoelectrodes that are inexpensive, stable and highly active. Now, Luo, Grätzel and co-workers report Cu2O photocathodes that reach these goals. Incorporation into an unassisted solar water splitting device gives ~3% solar-to-hydrogen conversion efficiency.
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