A Transparent, High‐Performance, and Stable Sb2S3 Photoanode Enabled by Heterojunction Engineering with Conjugated Polycarbazole Frameworks for Unbiased Photoelectrochemical Overall Water Splitting Devices

材料科学 异质结 分解水 共轭体系 光电子学 纳米技术 化学工程 聚合物 光催化 复合材料 有机化学 化学 工程类 催化作用
作者
Lei Wang,Weitao Lian,Bin Liu,Haifeng Lv,Ying Zhang,Xiaojun Wu,Tuo Wang,Jinlong Gong,Tao Chen,Hangxun Xu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (29) 被引量:59
标识
DOI:10.1002/adma.202200723
摘要

Developing low-cost, high-performance, and durable photoanodes is essential in solar-driven photoelectrochemical (PEC) energy conversion. Sb2 S3 is a low-bandgap (≈1.7 eV) n-type semiconductor with a maximum theoretical solar conversion efficiency of ≈28% for PEC water splitting. However, bulk Sb2 S3 exhibits opaque characteristics and suffers from severe photocorrosion, and thus the use of Sb2 S3 as a photoanode material remains underexploited. This study describes the design and fabrication of a transparent Sb2 S3 -based photoanode by conformably depositing a thin layer of conjugated polycarbazole frameworks (CPF-TCzB) onto the Sb2 S3 film. This structural design creates a type-II heterojunction between the CPF-TCzB and the Sb2 S3 with a suitable band-edge energy offset, thereby, greatly enhancing the charge separation efficiency. The CPF-TCzB/Sb2 S3 hybrid photoanode exhibits a remarkable photocurrent density of 10.1 mA cm-2 at 1.23 V vs reversible hydrogen electrode. Moreover, the thin CPF-TCzB overlayer effectively inhibits photocorrosion of the Sb2 S3 and enables long-term operation for at least 100 h with ≈10% loss in photocurrent density. Furthermore, a standalone unbiased PEC tandem device comprising a CPF-TCzB/Sb2 S3 photoanode and a back-illuminated Si photocathode can achieve a record solar-to-hydrogen conversion efficiency of 5.21%, representing the most efficient PEC water splitting device of its kind.
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