Monolithic Photoelectrochemical Device for Direct Water Splitting with 19% Efficiency

分解水 材料科学 光电子学 工程物理 纳米技术 环境科学 化学 物理 光催化 催化作用 生物化学
作者
Wen‐Hui Cheng,Matthias H. Richter,Matthias M. May,Jens Ohlmann,David Lackner,Frank Dimroth,Thomas Hannappel,Harry A. Atwater,Hans‐Joachim Lewerenz
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:3 (8): 1795-1800 被引量:431
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.8b00920
摘要

Efficient unassisted solar water splitting, a pathway to storable renewable energy in the form of chemical bonds, requires optimization of a photoelectrochemical device based on photovoltaic tandem heterojunctions. We report a monolithic photocathode device architecture that exhibits significantly reduced surface reflectivity, minimizing parasitic light absorption and reflection losses. A tailored multifunctional crystalline titania interphase layer acts as a corrosion protection layer, with favorable band alignment between the semiconductor conduction band and the energy level for water reduction, facilitating electron transport at the cathode–electrolyte interface. It also provides a favorable substrate for adhesion of high-activity Rh catalyst nanoparticles. Under simulated AM 1.5G irradiation, solar-to-hydrogen efficiencies of 19.3 and 18.5% are obtained in acidic and neutral electrolytes, respectively. The system reaches a value of 0.85 of the theoretical limit for photoelectrochemical water splitting for the energy gap combination employed in the tandem-junction photoelectrode structure.
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