Enabling Efficient Charge Separation for Optoelectronic Conversion via an Energy-Dependent Z-Scheme n-Semiconductor–Metal–p-Semiconductor Schottky Heterojunction

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作者
Mesfin Eshete,Yang Li,Edward Sharman,Xiyu Li,Xijun Wang,Guozhen Zhang,Jun Jiang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (9): 3313-3319 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.0c00754
摘要

Achieving good charge separation while maintaining energetic electronic states in heterostructures is a challenge in designing efficient photocatalyst materials. Using first-principles calculations, we propose a Z-scheme Sn-m-Sp (n-semiconductor-metal-p-semiconductor) heterojunction as a viable avenue for achieving broad-spectrum sunlight absorption and, importantly, energy-dependent charge separation. As a proof-of-concept investigation, we investigated two ternary heterostructures, CdS-Au-PdO and SnO2-W-Ag2O, in which the electronic Fermi levels line up by virtue of the presence of an intermediate metal layer. A cascade of work functions in the relative order Wn < Wm < Wp drives electrons flowing from Sn to m and from m to Sp. The inner electric fields established at the Sn-m and m-Sp Schottky junctions selectively guide low-energy photoexcited electrons from Sn (CdS/SnO2) and low-energy holes from Sp (PdO/Ag2O) to the interposing Au or W metal, respectively. Importantly, relatively low Schottky barriers enforce charge separation by constraining high-energy photogenerated charges to the individual semiconductor layers. Operating together, these two mechanisms enable the achievement of highly efficient optoelectronic conversion.
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