Foto-elektrochemische (PEC) watersplitsing is een veelbelovende technologie voor het omzetten van zonne-energie in opgeslagen chemische energie. In PEC-cellen absorberen halfgeleiders fotonen van de lichtbron om mobiele ladingdragers te creëren. Het gekozen materiaal moet efficiënt zonlicht absorberen en niet degraderen tijdens de watersplitsing.

Materialen die zonlicht absorberen, zoals silicium, zijn meestal instabiel en materialen die goede stabiliteit geven, zoals siliciumoxide (SiO₂), absorberen slecht. Met een combinatie van materialen in een metaal-isolator-semiconductor (MIS) kunnen cellen aan beide voorwaarden voldoen. De dikte van de isolatielaag vormt de volgende uitdaging. De SiO₂-laag moet dun genoeg zijn om de elektronen en gaten door te laten, die middels absorptie van zonlicht in de silicium-laag ontstaan, maar dik genoeg om het silicium te beschermen.

De onderzoekers uit Austin vonden een manier om elektrisch geleidbare paden te creëren die door de siliciumoxide-laag heenlopen. Als eerste brengen ze een aluminium coating aan op het siliciumoxide. Door de Al/SiO₂/Si structuur vervolgens te verwarmen ontstaan er zogenaamde aluminium spikes door de SiO₂-laag heen. Deze spikes vormen geleidende paden en het omliggende SiO₂ kan de onderliggende laag nog steeds beschermen. Het aluminium wordt vervolgens weg geëtst en middels elektrodepositie vervangen door nikkel. Het nikkel functioneert als katalysator voor de zuurstofevolutie-reactie.

Het resterende SiO₂ en nikkel zijn uitstekend bestand tegen corrosie in alkalische waterige oplossingen. Dit proces resulteert in MIS-fotoanodes op basis van Si met een hoog rendement, goede stabiliteit op lange termijn, lage kosten en een simpele productiemethode zonder gebruik te maken van complexe en kostbare lithografische patroontechnieken.

Lee, S., Ji, L., De Palma, A.C. et al. (2021) Nat. Commun. doi.org/10.1038/s41467-021-24229-y