Nat. Commun.：使用薄膜反应和电沉积制造的用于水氧化的可扩展、高度稳定的硅基金属-绝缘体-半导体光阳极

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Nat. Commun.：使用薄膜反应和电沉积制造的用于水氧化的可扩展、高度稳定的硅基金属-绝缘体-半导体光阳极
光电化学(PEC)水分解是一种将太阳能转化为清洁和可储存化学能的有前景的技术。在PEC 电池中，半导体光电极吸收光子以产生光生载流子方面发挥着关键作用。硅基光电极由于硅的中等带隙 (1.12 eV)、高电荷迁移率和扩散长度以及完善的技术基础设施等优点。 然而，由于光电水分解OER过程中复杂的四电子反应机制需要较大的过电位和在碱性溶液中的化学稳定性差等问题，硅基光阳极用于光电化学(PEC)水分解仍面临巨大的挑战。
为了改善硅基光阳极的OER性能，美国德克萨斯大学–奥斯汀分校微电子研究中心的Alex C. De Palma、Edward T. Yu和Li Ji等人报道了一种金属–绝缘体–半导体(MIS)硅基光阳极，其具有厚的绝缘层，通过薄膜反应产生局部传导路径，通过绝缘体和电沉积形成金属催化剂岛。该催化剂具有可扩展性高，并且产生具有低起始电位、高饱和电流密度和优异稳定性等特点。 
Nat. Commun.：使用薄膜反应和电沉积制造的用于水氧化的可扩展、高度稳定的硅基金属-绝缘体-半导体光阳极
作者利用Al通过绝缘氧化物层的薄膜反应，然后进行Ni电沉积，并且不需要任何刻蚀，制备高性能且非常稳定的Si基MIS光阳极。在以Al作为金属层的金属–绝缘体–半导体(MIS)光电极结构中，Al/SiO2/Si结构在300 °C以上的退火会导致 Al 穿透下面的SiO2并在MIS结构中形成局部金属尖峰。每个金属尖峰能够提供穿过厚SiO2层的局部导电路径。尖峰密度为~108 cm-2–109 cm-2，能够非常有效地收集光生载流子。周围的氧化物区域保持电绝缘并保留其保护功能。在通过SiO2形成局部铝尖峰之后在该层中，Al被蚀刻并通过电沉积被Ni 取代，并且Ni作为OER催化剂。在电沉积过程中，Ni覆盖暴露的Si 表面，导致分散的 Ni 纳米岛在SiO2表面的相应位置生长。剩余暴露的厚的SiO2和电沉积Ni在碱性水溶液中具有优异的耐腐蚀性。 
Nat. Commun.：使用薄膜反应和电沉积制造的用于水氧化的可扩展、高度稳定的硅基金属-绝缘体-半导体光阳极
为了进一步提高光电化学起始电位，在尖峰 Ni/SiO2/Si光阳极加入了ap+ n-Si 结构成Ni/SiO2/p+n-Si 光阳极。p+-Si和Ni 形成欧姆接触，Si中的能带弯曲主要由于p+ n结的存在。n-Si表面的p +掺杂能够在Si 表面积累更高的空穴密度，与尖峰 Ni/SiO2/Si光阳极相比，Ni/SiO2/p+ n-Si 光阳极起始电位提高。在 AM1.5G 照射下，相对于可逆氢电极(RHE)的起始电位为0.7 V时，饱和电流密度为 32 mA/cm2。此外，Ni/SiO2/p+ n-Si 光阳极在1 M KOH 水溶液中，电压为1.3 V，恒定光电流密度约为22 mA/cm2的条件下稳定反应了7天。
Scalable, highly stable Si-basedmetal-insulator-semiconductor photoanodes for water oxidation fabricated usingthin-film reactions and electrodeposition. Nature Communication, 2021, DOI:10.1038/s41467-021-24229-y.
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24229-y

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