Resonant light trapping in ultrathin films for water splitting

材料科学 光电子学 光电解 吸收(声学) 分解水 载流子 半导体 可见光谱 光强度 光学 电极 化学 光催化 电解 电解质 物理 物理化学 复合材料 催化作用 生物化学
作者
Hen Dotan,Ofer Kfir,Elad Sharlin,Oshri Blank,Moran Gross,Irina Dumchin,Guy Ankonina,Avner Rothschild
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:12 (2): 158-164 被引量:318
标识
DOI:10.1038/nmat3477
摘要

Semiconductor photoelectrodes for solar hydrogen production by water photoelectrolysis must employ stable, non-toxic, abundant and inexpensive visible-light absorbers. Iron oxide (α-Fe(2)O(3)) is one of few materials meeting these requirements, but its poor transport properties present challenges for efficient charge-carrier generation, separation, collection and injection. Here we show that these challenges can be addressed by means of resonant light trapping in ultrathin films designed as optical cavities. Interference between forward- and backward-propagating waves enhances the light absorption in quarter-wave or, in some cases, deeper subwavelength films, amplifying the intensity close to the surface wherein photogenerated minority charge carriers (holes) can reach the surface and oxidize water before recombination takes place. Combining this effect with photon retrapping schemes, such as using V-shaped cells, provides efficient light harvesting in ultrathin films of high internal quantum efficiency, overcoming the trade-off between light absorption and charge collection. A water photo-oxidation current density of 4 mA cm(-2) was achieved using a V-shaped cell comprising ~26-nm-thick Ti-doped α-Fe(2)O(3) films on back-reflector substrates coated with silver-gold alloy.
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