Tantalum Nitride‐Enabled Solar Water Splitting with Efficiency Above 10%

材料科学 串联 光电子学 氮化钽 能量转换效率 纳米棒 吸收(声学) 载流子 分解水 光伏系统 可见光谱 氮化物 光催化 纳米技术 薄膜 图层(电子) 复合材料 冶金 化学 催化作用 生物 生物化学 生态学
作者
Yuriy Pihosh,Vikas Nandal,Tomohiro Higashi,Ryota Shoji,Raman Bekarevich,Hiroshi Nishiyama,Taro Yamada,Valeria Nicolosi,Takashi Hisatomi,Hiroyuki Matsuzaki,Kazuhiko Seki,Kazunari Domen
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (36) 被引量:24
标识
DOI:10.1002/aenm.202301327
摘要

Abstract Designing photoanode semiconducting materials with visible‐light absorption and minimal charge‐carrier recombination for achieving efficient solar‐to‐hydrogen (STH) conversion is challenging. Here, hybrid Ta 3 N 5 nanorods and thin films are developed on transparent GaN/Al 2 O 3 substrates. A Ta 3 N 5 photoanode with a loaded cocatalyst achieves the best current density, i.e. 10.8 mA cm −2 , at 1.23 V versus the reversible hydrogen electrode under simulated AM 1.5G solar illumination. In a tandem configuration with dual‐CuInSe 2 photovoltaic cells, this semi‐transparent photoanode achieves a reproducible STH energy conversion efficiency of ≈12% (the highest among photocatalytic materials), and remains at more than 10% for 6.7 h of tandem device operation. Detailed transient absorption spectroscopy and theoretical analysis indicates that this high performance originates from efficient light absorption and hole utilization inside the Ta 3 N 5 material. The results show the feasibility of suppressing dominant optical and charge‐carrier‐ recombination losses by using nanostructured visible‐light‐absorbing materials for practical STH conversion.
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