Solution-based synthesis of wafer-scale epitaxial BiVO4 thin films exhibiting high structural and optoelectronic quality

材料科学 光电子学 外延 薄脆饼 薄膜 半导体 钒酸铋 纳米技术 化学 光催化 图层(电子) 生物化学 催化作用
作者
Viktoria F. Kunzelmann,Chang‐Ming Jiang,Irina Ihrke,Elise Sirotti,Tim Rieth,Alex Henning,Johanna Eichhorn,Ian D. Sharp
出处
期刊:Journal of materials chemistry. A, Materials for energy and sustainability [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:10 (22): 12026-12034 被引量:7
标识
DOI:10.1039/d1ta10732a
摘要

We demonstrate a facile approach to solution-based synthesis of wafer-scale epitaxial bismuth vanadate (BiVO4) thin films by spin-coating on yttria-stabilized zirconia. Epitaxial growth proceeds via solid-state transformation of initially formed polycrystalline films, driven by interface energy minimization. The (010)-oriented BiVO4 films are smooth and compact, possessing remarkably high structural quality across complete 2'' wafers. Optical absorption is characterized by a sharp onset with a low sub-band gap response, confirming that the structural order of the films results in correspondingly high optoelectronic quality. This combination of structural and optoelectronic quality enables measurements that reveal a strong optical anisotropy of BiVO4, which leads to significantly increased in-plane optical constants near the fundamental band edge that are of particular importance for maximizing light harvesting in semiconductor photoanodes. Temperature-dependent transport measurements confirm a thermally activated hopping barrier of ∼570 meV, consistent with small electron polaron conduction. This simple approach for synthesis of high-quality epitaxial BiVO4, without the need for complex deposition equipment, enables a broadly accessible materials base to accelerate research aimed at understanding and optimizing photoelectrochemical energy conversion mechanisms.
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