Auteurs: Jihong Min, Irene Dei Tos, Sepideh Rahimisheikh, Beatriz de la Fuente, Devika Rajagopal, Jan D’Haen, David Cornil, Tom Hauffman, Tom Aernouts, David Beljonne, Joke Hadermann, Byungha Shin, Bart Vermang, Sudhanshu Shukla
De productie van chemische brandstoffen, zoals waterstof, met behulp van zonne-energie via foto-elektrochemische (PEC) processen is een veelbelovende oplossing om de doelstellingen voor klimaatneutraliteit te behalen. De ontwikkeling van een monolithisch tandem-PEC-apparaat, opgebouwd uit lichtabsorberende materialen met ideale bandgaps, is van cruciaal belang voor efficiënte systemen voor kunstmatige fotosynthese.
In dit onderzoek presenteren we de monolithische integratie van Sb₂S₃ op gestructureerd silicium, waarmee een volledig anorganisch en volledig via vacuümprocessen vervaardigd meerlaags PEC-apparaat is gerealiseerd met de architectuur Ag/Indium Tin Oxide (ITO)/Heterojunction with Intrinsic Thin layer (HIT) Si/ITO/Au/Sb₂S₃/NiOx.
Met behulp van foto-elektronspectroscopie en computationele analyses is aangetoond dat er sprake is van een trapsgewijze banduitlijning tussen silicium en Sb₂S₃. Hierdoor ontstaat een ladingsoverdrachtsmechanisme dat vergelijkbaar is met het zogenoemde Z-schema.
Daarnaast demonstreren we een hoogwaardig en stabiel monolithisch Sb₂S₃-silicium tandemapparaat voor de foto-elektrochemische waterstofontwikkelingsreactie (HER), gekoppeld aan de oxidatie van jodide (IOR). Onder AM 1.5G-zonlicht bereikt het apparaat zonder externe spanningsbron een fotostroomdichtheid van 4,38 mA/cm², met een Faradische efficiëntie van 97% voor de productie van waterstof. Bovendien behoudt het systeem na 10 uur continu gebruik ongeveer 90% van zijn oorspronkelijke prestaties.
Deze resultaten vormen een nieuwe maatstaf voor volledig anorganische monolithische tandemcellen voor een efficiënte en duurzame omzetting van zonne-energie in chemische energie. Daarmee opent dit onderzoek de weg naar kunstmatige fotosynthesesystemen met lichtabsorberende materialen die een ideale bandgap bezitten.
Wil je het volledige artikel lezen? Klik dan op de knop hieronder.
