Способ приготовления комплексного металлооксид/кремниевого фотокатода, интегрированного с лантаноидными наночастицами апконверсии на интерфейсе
DOI:
https://doi.org/10.26577/RCPh2025953Ключевые слова:
гетероструктуры оксид металла/кремния, ап-конверсия лантаноидов, фотоэлектрохимическое расщепление воды, водородная энергияАннотация
Данное исследование представляет изготовление интегрированного кремниевого фотокатода на основе гетероструктуры металл-оксид/кремний. Тонкая плёнка SnO₂ была нанесена на переднюю поверхность подложки p-n⁺-Si методом магнетронного распыления для обеспечения поглощения УФ-фотонов и защиты от коррозии. Лантаноидные наночастицы ап-конверсии (Ln-UCNPs, NaYF₄:Er³⁺@PbS) были интегрированы на задний интерфейс с использованием метода спин-коатинга для преобразования фотонов ближнего инфракрасного диапазона (NIR, 1550 нм) в видимый свет, что позволило достичь широкополосного поглощения. Анализ с помощью СЭМ подтвердил гранулярную морфологию слоя SnO₂ (толщиной ~140 нм) и глубину p-n⁺-перехода (~0,6 мкм). Измерения вольт-амперных характеристик (I-V) выявили усиленный туннельный перенос заряда и барьер Шоттки. Анализ спектральной чувствительности продемонстрировал улучшенную фоточувствительность в диапазоне 400–1100 нм с пиком на 870–900 нм. Фотоэлектрохимические тесты показали, что интеграция Ln-UCNPs увеличила плотность фототока примерно в ~5 раз, значительно повысив эффективность расщепления воды. Эта интегрированная структура предлагает перспективный подход к улучшению стабильности и спектральной эффективности кремниевых фотоэлектродов.
Библиографические ссылки
M. G. Walter, E. L. Warren, J. R. McKone, S. W. Boettcher, Q. Mi, E. A. Santori, and N. S. Lewis, “Solar Water Splitting Cells,” Chem. Rev. 110(11), 6446–6473 (2010). https://doi.org/10.1021/cr1002326.
A. Kudo and Y. Miseki, “Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting,” Chem. Soc. Rev. 38(1), 253–278 (2009). https://doi.org/10.1039/B800489G.
Ronglei Fan, Zetian Mi, Mingrong Shen. Silicon based photoelectrodes for photoelectrochemical water splitting. Optics Express. 27, 4, A51-A80 (2019). https://doi.org/10.1364/OE.27.000A51.
Shuyang Peng, Di Liu, Zhiqin Ying,Keyu An,Chunfa Liu, Jinxian Feng,Haoyun Bai, Kin Ho Lo, Hui Pan. Industrial-Si-based photoanode for highly efficient and stable water splitting. Journal of Colloid and Interface Science. 671, 2024, 434-440. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.05.185.
S. Y. Noh, K. Sun, C. Choi, M. Niu, M. Yang, K. Xu, S. Jin, D. Wang, Branched TiO2/Si nanostructures for enhanced photoelectrochemical water splitting. Nano Energy 2013, 2, 351. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.10.010.
Yanhao Yu, Zheng Zhang, Xin Yin, Alexander Kvit, Qingliang Liao, Zhuo Kang, Xiaoqin Yan, Yue Zhang & Xudong Wang. Enhanced photoelectrochemical efficiency and stability using a conformal TiO2 film on a black silicon photoanode. Nat Energy 2, 17045 (2017). https://doi.org/10.1038/nenergy.2017.45.
R. van de Krol, Y. Liang, An n-Si/n-Fe2O3HeterojunctionTandemPhotoanodefor SolarWater Splitting. CHIMIA Int. J. Chem. 2013, 67, 168. https://doi.org/10.2533/chimia.2013.168.
Yerkin Shabdan, Aiymkul Markhabayeva, Nurlan Bakranov, Nurxat Nuraje. Photoactive Tungsten-Oxide Nanomaterials for Water-Splitting. Nanomaterials 2020, 10(9), 1871; https://doi.org/10.3390/nano10091871.
Zahra Hajiahmadi, Yavar T. Azar. Computational study of h-WO3 surfaces as a semiconductor in water-splitting application. Surfaces and Interfaces 28 (2022) 101695. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101695.
Yihui Zhao, Geert Brocks, Han Genuit, Reinoud Lavrijsen, Marcel A. Verheijen,and Anja Bieberle-Hütter. Boosting the Performance of WO3/n-Si Heterostructuresfor Photoelectrochemical Water Splitting: from the Roleof Si to Interface Engineering. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1900940. https://doi.org/10.1002/aenm.201900940.
Y. Zhao, S. Balasubramanyam, R. Sinha, R. Lavrijsen, M. A. Verheijen, A. A. Bol, A. Bieberle-Hütter, Physical and Chemical Defects in WO3 Thin Films and Their Impact on Photoelectrochemical Water Splitting. ACS Appl. Energy Mater. 2018, 1, 5887. DOI: 10.1021/acsaem.8b00849.
Hanan K. Hassun, Bushra H. Hussein, Ebtisam M.T. Salman, Auday H. Shaban. Photoelectric properties of SnO2: Ag/P–Si heterojunction photodetector. Energy Reports 6 (2020) 46–54. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2019.10.017.
Joseph Day, S. Senthilarasu, Tapas K. Mallick. Improving spectral modification for applications in solar cells: A review. Renewable Energy 132 (2019) 186e205. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.07.101.
Yerkin Shabdan , Chang-Keun Lim, Almaz Beisenbayev, Adiya Yersin, Nurxat Nuraje. PbS Quantum Dots and Er³⁺ in Core-Shell Nanocrystals for NIR-to-Visible Upconversion. 4th International Symposium on Emerging Materials and Devices. NLA, Nazarbayev Univesity. Astana, Kazakhstan. May 28-30, 2025.
Xiaoning Ru, Miao Yang, Shi Yin, Yichun Wang, Chengjian Hong, Fuguo Peng, Yunlai Yuan, Chang Sun, Chaowei Xue, Minghao Qu, Jianbo Wang, Junxiong Lu, Liang Fang, Hao Deng, Tian Xie, Shengzhong (Frank) Liu, Zhenguo Li, Xixiang Xu. Silicon heterojunction solar cells achieving 26.6% efficiency on commercial-size p-type silicon wafer. Joule 8, 1092–1104, April 17, 2024. DOI: 10.1016/j.joule.2024.01.015.
Almaz Beisenbayev, Mina Guli, Santeri Neuvonen and Erkin Shabdan. Synthesis of PbS Quantum Dot-Sensitized Er³⁺-Activated Core-Shell Nanocrystals for Enhanced Photon Upconversion. ACS Omega, 2025(submited).
