【原】李灿院士团队JACS：MOx-半导体硅光电电极最新进展！

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研究内容

实现高效肖特基型硅光电极的一个关键瓶颈是减少不良缺陷来最小化异质界面上的电荷提取损失。这就需要对界面特征和光转换之间的相关性有清晰的微观洞察力。

基于此，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士和姚婷婷以n-Si/氧化物（MOx）/Ni为原型，阐明了具有不同特性的异质界面及其对电荷传输的影响以及相应的光电/光电化学（PEC）行为。详细阐述了界面表征如何影响电荷传输，从而影响n-Si金属氧化物-半导体光电极的PEC性能。微观界面特征与电荷提取过程之间的关系得到了很好的建立。最终，n-Si/SiOx/AlOx/Au/Ni/NiFeOx光阳极实现了优异的PEC性能和水氧化稳定性。相关工作以“Identifying and Removing the Interfacial States in Metal Oxide-Semiconductor Schottky Si Photoanodes for the Highest Fill Factor”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1. 在n-Si/SiOx/AlOx/Au/Ni/NiFeOx中，超薄的AlOx层可以有效减少n-Si/Ni的界面钉扎，并大大增强从半导体Si中提取电荷以用于表面利用的驱动力（内置或外部电场）促进光转换；同时，它会在n-Si的导带下方约0.59 eV处导致一些供体状深缺陷，这些缺陷可能在反向偏压下被电离并导致约10%的光生电荷复合。AlOx与薄金中间层配合使用，可以消除这些深层缺陷。

要点2. AlOx/Au双中间层几乎可以消除电场驱动从Si中提取电荷以进行表面反应的所有障碍，并最大限度地提高从半导体Si中提取电荷以进行表面催化反应的电场效率。最终，nSi/SiOx/AlOx/Au/Ni/NiFeOx光阳极对于相应的光电器件表现出创纪录的0.75的填充因子(FF)，和PEC水氧化的应用偏置光子电流效率为3.71%。

该研究为光电极的症结和相应的调制策略提供了清晰的见解，这也可能适用于优化其他异质光电极的PEC性能。

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研究图文

图1. (a) n-Si/SiOx/“x”/Ni/NiFeOx光阳极（x代表中间层）在模拟阳光照射下（AM 1.5G，100 mW cm-2）在1.0 M KOH溶液中的PEC性能。n-Si/SiOx/“x”/Ni器件在黑暗中(b) 电流密度-电压曲线，(c) 电容-电压曲线和(d) MS图。固态电极的势垒高度(Φb)等于平带电压(Vfb)和Vn之和，其中Vn是n-Si的费米能级和导带之间的能量间隙。

图2. (a) 通过从PEC性能中减去电催化性能获得的n-Si光阳极的绝对光电特性。(b) n-Si/SiOx/“x”/Ni/NiFeOx光阳极的电荷分离效率。(c) n-Si/SiOx//Ni/NiFeOx光阳极在斩波光下的电荷分离效率的瞬态响应，结合光电流峰值积分获得的存储电荷和拟合i-t曲线获得的时间常数。(d) n-Si/SiOx/AlOx/Ni(50 nm)器件中供体类缺陷的电容-电压倒数曲线及其对应的高斯形状拟合曲线的导数。插图是用蓝色虚线标记的放大图。

图3. (a) nSi/SiOx、(b) n Si/SiOx/AlOx、(c) n-Si/SiOx/AlOx/Au和(d) n-Si/SiOx/AlOx/Au/Ni电极的原子力显微镜形貌3D图像。

图4. (a) 以AlOx/Au双夹层样品的EFB为基准得到的电位降的差异。（b）在黑暗中，在O2饱和的1.0 M KOH中，在100 kHz交流频率下n-Si/SiOx/“x”/Ni/NiFeOx光阳极的电容-电位图。

图5. n-Si/SiOx/AlOx/Au/Ni/NiFeOx光阳极在1.0 M KOH溶液中，在1.23 V vs RHE下，在模拟阳光照射下测试的(a)ABPE和(b)电流密度与时间(j-t)曲线。

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文献详情

Identifying and Removing the Interfacial States in MetalOxide−Semiconductor Schottky Si Photoanodes for the Highest Fill Factor

Jiangping Ma, Haibo Chi, Aoqi Wang, Pengpeng Wang, Huanwang Jing, Tingting Yao,* Can Li*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c06748