ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО КРЕМНИЯ ДЛЯ СОЛНЕЧНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ВОДЫ

Кремний, один из самых распространенных и экономически эффективных материалов на Земле, имеет значительные перспективы для применения в расщеплении воды и фотоэлектричестве благодаря своей подходящей ширине запрещенной зоны приблизительно 1,12 эВ, что позволяет поглощать ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный свет. Однако высокая отражательная способность (~25%) плоских кремниевых пластин ограничивает его эффективность преобразования, что делает его менее эффективным для фотоэлектрохимических (ПЭК) процессов. Наноструктурирование поверхности кремния позволяет улучшить коэффициент поглощения света, снижает его сопротивление и повышает эффективность производства водорода. В этом исследовании мы изготовили наноструктурированные кремниевые фотоэлектроды с использованием метода химического травления с использованием металла (MACE). Полученные черные кремниевые (b-Si) электроды продемонстрировали превосходные возможности по- глощения света, что привело к значительному повышению плотности фототока. Примечательно, что b-Si фотоэлектроды достигли плотности фототока 800 мкА/см² при 0 В против RHE по сравнению с 200 мкА/см² для плоского кремния. Кроме того, b-Si электроды продемонстрировали превосходную долговременную стабильность при непрерывном освещении в течение 16 часов. Эти результаты подчеркивают потенциал наноструктурированного кремния как эффективного и стабильного материала для расщепления воды с помощью солнечной энергии и связанных с этим возобновляемых источников энергии.

1. Yang W., et al. Strategies for enhancing the photocurrent, photovoltage, and stability of photoelectrodes for photoelectrochemical water splitting. Chemical Society Reviews, 2019, vol. 48, no. 19, pp. 4979–5015.

2. Chen Z., H.N. Dinh, and E. Miller. Photoelectrochemical water splitting, Springer, 2013, vol. 344.

3. Bozheyev F. Advancement of transition metal dichalcogenides for solar cells: a perspective, Journal of Materials Chemistry A, 2023, vol. 11, no. 37, pp. 19845–19853.

4. Bozheyev F. Transition metal dichalcogenide thin films for solar hydrogen production. Current Opinion in Electrochemistry, 2022, vol. 34, p. 100995.

5. Bozheyev F., et al. Influence of SnWO4, SnW3O9, and WO3 Phases in Tin Tungstate Films on Photoelectrochemical Water Oxidation, ACS Applied Materials & Interfaces, 2024.

6. Markhabayeva A., et al. Effect of synthesis method parameters on the photocatalytic activity of tungsten oxide nanoplates. AIP Advances, 2021, vol. 11, no. 9.

7. Tolepov Z., et al. Effect of Bi addition on the switching effect and structure of thin Ge2Sb2Te5 films prepared by ion-plasma RF co-sputtering. Journal of Non-Crystalline Solids, 2024, vol. 642, p. 123167.

8. Prikhodko O.Y., et al. Photocatalytic activity of liquid-phase exfoliated gallium selenide flakes, Chalcogenide Lett, 2021, vol. 18, p. 777–781.

9. Markhabayeva A.A., et al. Construction of a ZnO Heterogeneous Structure Using Co3O4 as a Co-Catalyst to Enhance Photoelectrochemical Performance, Materials, 2023, vol. 17, no. 1, p. 146.

10. Tolubayeva, D.B., et al. Effect of hydrogen plasma treatment on the sensitivity of ZnO based electrochemical non-enzymatic biosensor, Biosensors, 2023, vol. 13, no. 8, p. 793.

11. Liu, X., et al., Black silicon: fabrication methods, properties and solar energy applications. Energy & Environmental Science, 2014, vol. 7, no. 10, pp. 3223–3263.

12. Luo Z., T. Wang, and J. Gong. Single-crystal silicon-based electrodes for unbiased solar water splitting: current status and prospects, Chemical Society Reviews, 2019, vol. 48, no. 7, pp. 2158–2181.

13. Mussabek G., et al. Preparation and characterization of hybrid nanopowder based on nanosilicon decorated with carbon nanostructures. Applied Nanoscience, 2023, vol. 13, no. 10, pp. 6709–6718.

14. Megouda N., et al. Investigation of morphology, reflectance and photocatalytic activity of nanostructured silicon surfaces. Microelectronic Engineering, 2016, vol. 159, pp. 94–101.

15. Branz H.M., et al. Nanostructured black silicon and the optical reflectance of graded-density surfaces. Applied Physics Letters, 2009, vol. 94, no. 23.

16. Mussabek G., et al. Kinetics of hydrogen generation from oxidation of hydrogenated silicon nanocrystals in aqueous solutions. Nanomaterials, 2020, vol. 10, no. 7, p. 1413.

17. Yu Y., et al. Enhanced photoelectrochemical efficiency and stability using a conformal TiO2 film on a black silicon photoanode. Nature Energy, 2017, vol. 2, no. 6, pp. 1–7.

18. Ao X., et al. Black silicon with controllable macropore array for enhanced photoelectrochemical performance. Applied Physics Letters, 2012, vol. 101, no. 11.

19. Kadlečíková M., et al. Raman spectroscopy of silicon with nanostructured surface. Optik, 2022, vol. 257, p. 168869.

20. Abdullin H., et al. Poluchenie nanoteksturirovannoj poverhnosti kremnija metodom selektivnogo himicheskogo travlenija, iniciirovannogo metallicheskimi nanoklasterami serebra, p. 127. [in Russia].

21. Yue W., et al. Surface-enhanced Raman scattering with gold-coated silicon nanopillars arrays: The influence of size and spatial order. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2022, vol. 267, p. 120582.