La scissione dell'acqua fotoelettrochimica a energia solare (PEC) è un approccio interessante per convertire l'energia solare in energia chimica. Tra molti materiali fotoelettrodi, il silicio cristallino (c-Si) ha attirato una notevole attenzione a causa della sua abbondanza di terra, stretto gap di banda, e un'adeguata posizione del bordo della banda per la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER). Però, c-Si soffre di una bassa fototensione generata dalla giunzione solido-liquido.

Diverse strategie, come la costruzione di omogiunzioni p-n, giunzioni metallo-isolante-semiconduttore (MIS) ed eterogiunzioni p-n, sono stati adottati per ottenere un'elevata fototensione. Le giunzioni MIS sono state al centro dell'attenzione nella scissione dell'acqua PEC a causa della loro semplice fabbricazione e del potenziale per ottenere efficienze più elevate rispetto alle giunzioni p-n. Però, ci sono fotocatodi MIS a base di Si molto limitati riportati con efficienza superiore al 5%, molto inferiore a quello del fotocatodo a giunzione p-n (10%).

Una delle principali sfide dei fotocatodi MIS p-Si per una maggiore efficienza è l'assorbimento della luce parassita dai catalizzatori HER come Pt, Ni-Mo, ecc. I fotocatodi MIS tradizionali sono fabbricati da p-Si, dove i portatori minoritari fotogenerati (elettroni) guidano la reazione di riduzione sulla superficie frontale. Questo potrebbe tradursi nel fatto che il catalizzatore deve essere posizionato sullo stesso lato della giunzione MIS. Così, l'assorbimento della luce parassita dai catalizzatori limiterà fortemente la densità della fotocorrente. Gli strati metallici nella giunzione MIS causano anche perdite ottiche. Un altro fattore limitante è la mancanza di metalli a bassa funzione di lavoro per formare un offset a banda larga con p-Si nella giunzione MIS, con conseguente bassa fototensione.

In un articolo di ricerca pubblicato su Rassegna scientifica nazionale , gli scienziati dell'Università di Tianjin presentano un fotocatodo MIS disaccoppiato dalla reazione di illuminazione unico fabbricato da n-Si, che supera le sfide che ostacolano seriamente lo sviluppo del fotocatodo p-Si MIS.

Diverso dai lavori precedenti che impiegano portatori minoritari per guidare la reazione di riduzione della superficie, in questo lavoro vengono utilizzati i portatori maggioritari (elettroni) del fotocatodo MIS n-Si. Su questo semplice, modifica non convenzionale ma efficace, la giunzione MIS e il catalizzatore possono essere posizionati sui lati opposti di n-Si, che evita il problema di schermatura della luce del catalizzatore.

Inoltre, questo fotocatodo MIS costruito da n-Si risolve l'inconveniente della mancanza di materiali metallici con una funzione di lavoro adeguata per generare un offset a banda larga per il fotocatodo p-Si MIS. Utilizzando l'ossido di indio e stagno (ITO) con un'elevata trasmittanza come materiale metallico ad alta funzione di lavoro per il fotocatodo MIS n-Si, viene ulteriormente eliminato il trade-off tra copertura metallica e assorbimento della luce a fronte di metalli ad alta funzione di lavoro.

Di conseguenza, questo fotocatodo MIS n-Si disaccoppiato dalla reazione di illuminazione presenta un assorbimento della luce superiore al 90%, una fototensione fino a 570 mV, e un'efficienza registrata del 10,3%, superando i tradizionali fotocatodi p-Si MIS.

Questa facile strategia mostra un potenziale per ispirare la progettazione razionale di sistemi fotoelettrochimici alimentati a energia solare che utilizzano catalizzatori con scarsa trasmissione della luce, un passo avanti verso la futura commercializzazione su larga scala dello splitting solare dell'acqua.