Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tác động của điều kiện biên lên điện áp quang và dòng điện quang được tính toán tại các giao diện quang xúc tác
Tóm tắt
Nghiên cứu này trình bày một phân tích sâu về cách mà việc lựa chọn các điều kiện biên có thể ảnh hưởng đến điện áp quang và dòng điện quang được tính toán trong các thiết bị quang điện hóa (PEC). Bằng cách sử dụng điều kiện biên nổi cho thế điện tĩnh và điều kiện biên giả Schottky cho các dòng electron/lỗ tại giao diện, chúng tôi cho thấy sự tính toán đồng thời của điện áp quang và dòng điện quang. Chúng tôi cũng khám phá tầm quan trọng của việc nắm bắt điện áp quang, với các điều kiện biên phù hợp, để mô phỏng chính xác dòng điện quang thực tế cùng với việc căn chỉnh dải năng lượng thực tế. Cuối cùng, kết quả của chúng tôi tách rời quá trình chuyển giao lỗ tại giao diện ra khỏi sự tái tổ hợp tại vùng giao diện/không gian nhiễm điện và gợi ý các phương pháp khả thi để điều chỉnh quá trình chuyển giao mesoscopic tại các điện cực PEC.
Từ khóa
#điều kiện biên #điện áp quang #dòng điện quang #thiết bị quang điện hóa #quá trình chuyển giao mesoscopicTài liệu tham khảo
R. van de Krol: Principles of photoelectrochemical cells. In Photoelectrochemical Hydrogen Production (Springer, Berlin, 2012).
L.M. Peter and K.G. Upul Wijayantha: Photoelectrochemical water splitting at semiconductor electrodes: fundamental problems and new perspectives. Chem. Phys. Chem. 15, 1983 (2014).
J. Su and L. Vayssieres: A place in the sun for artificial photosynthesis? ACS Energy Lett. 1, 121 (2016).
O. Zandi and T.W. Hamann: The potential versus current state of water splitting with hematite. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 22485 (2015).
D. Wang, A. Pierre, M.G. Kibria, K. Cui, X. Han, K.H. Bevan, H. Guo, S. Paradis, A.-R. Hakima, and Z. Mi: Wafer-level photocatalytic water splitting on GaN nanowire arrays grown by molecular beam epitaxy, Nano Lett 11, 2353 (2011).
C. Du, X. Yang, M.T. Mayer, H. Hoyt, J. Xie, G. McMahon, G. Bischoping, and D. Wang: Hematite-based water splitting with low turn-on voltages. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 12692 (2013).
A. Iqbal, M.S. Hossain, and K.H. Bevan: The role of relative rate constants in determining surface state phenomena at semiconductor-liquid interfaces. Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 29466 (2016).
D.R. Gamelin: Catalyst or spectator? Nat Chem. 4, 965 (2012).
J.E. Thorne, S. Li, C. Du, G. Qin, and D. Wang: Energetics atthe surface of photoelectrodes and its influence on the photoelectrochemical properties. J. Phys. Chem. Lett. 6, 4083 (2015).
B. Klahr, S. Gimenez, F. Fabregat-Santiago, T. Hamann, and J. Bisquert: Water oxidation at hematite photoelectrodes: the role of surface states. J. Am. Chem. Soc. 134, 4294 (2012).
M.R. Nellist, F.A.L. Laskowski, F. Lin, T.J. Mills, and S.W. Boettcher: Semiconductor-electrocatalyst interfaces: theory, experiment, and applications in photoelectrochemical water splitting. Acc. Chem. Res. 49, 733 (2016).
J. Reichman: The current-voltage characteristics of semiconductor-electrolyte junction photovoltaic cells. Appl. Phys. Lett. 36, 574 (1980).
S.J. Anz and N.S. Lewis: Simulations of the steady-state current density vs potential characteristics of semiconducting electrodes. J. Phys. Chem. 6103, 3908 (1999).
M.J. Cass, N.W. Duffy, L.M. Peter, S.R. Pennock, S. Ushiroda, and A. B. Walker: Microwave reflectance studies of photoelectrochemical kinetics at semiconductor electrodes. 1. steady-state, transient, and periodic responses. J. Phys. Chem. B 107, 5857 (2003).
P. Cendula, S.D. Tilley, S. Gimenez, J. Bisquert, M. Schmid, M. Gratzel, and J.O. Schumacher: calculation of the energy band diagram of a photoelectrochemical water splitting cell. J. Phys. Chem. C 118, 29599 (2014).
P.R.F. Barnes, A.Y. Anderson, J.R. Durrant, and B.C. O’Regan: Simulation and measurement of complete dye sensitised solar cells: including the influence of trapping, electrolyte, oxidised dyes and light intensity on steady state and transient device behaviour. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 5798 (2011).
A. Iqbal and K.H. Bevan: Simultaneously solving the photovoltage and photocurrent at semiconductor-liquid interfaces. J. Phys. Chem. C 122, 30 (2018).
T.J. Mills, F. Lin, and S.W. Boettcher: Theory and simulations of electrocatalyst-coated semiconductor electrodes for solar water splitting. Phys. Rev. Lett. 112, 148304 (2014).
H. Dotan, N. Mathews, T. Hisatomi, M. Gratzel, and A. Rothschild: On the solar to hydrogen conversion efficiency of photoelectrodes for water splitting. J. Phys. Chem. Lett. 5, 3330 (2014).
X. Shi, I. Herraiz-Cardona, L. Bertoluzzi, P. Lopez-Varo, J. Bisquert, J.H. Park, and S. Gimenez: Understanding the synergistic effect of WO3-BiV04 heterestructures by impedance spectroscopy. Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 9255 (2016).
J.O. Bockris, A.K.N. Reddy, and M. E. Galboa-Aldeco: Modern Electrochemistry 2A, 2nd ed. (Springer: New York, 2000).
R.F. Pierret: Semiconductor Device Fundamentals, (Addison-Wesley, Boston, MA, 1996).
D.G. Vasileska, M. Stephen, and G. Klimeck: Computational Electronics: Semiclassical and Quantum Device Modeling and Simulation (CRC Press, Boca Raton, 2010).
S. Selberherr: Analysis and Simulation of Semiconductor Devices (Springer-Verlag GmbH, Vienna, 1984).
D. Schroeder: Modelling of Interface Carrier Transport for Device Simulation (Springer-Verlag GmbH, Vienna, 1994).
R. Memming: Semiconductor Electrochemistry (Wiley-CVH, Weinheim, Germany, 2000).
N. Sato: Electrochemistry at Metal and Semiconductor Electrodes (Elsevier, Amsterdam, 1998).
C.S. Crowell, S.M. Sze: Current transport in metal-semiconductor barriers. Solid State Electron. 9, 1035 (1966).
A. Kumar, P.G. Santangelo, and N.S. Lewis: Electrolysis of water at strontium titanate (SrTiO3) photoelectrodes: distinguishing between the statistical and stochastic formalisms for electron-transfer processes in fuel-forming photoelectrochemical systems. J. Phys. Chem. 96, 834 (1992).
F. Le Formal, E. Pastor, S.D. Tilley, C.A. Mesa, S.R. Pendlebury, M. Gratzel, and J.R. Durrant: Rate law analysis of water oxidation on a hematite surface. J. Am. Chem. Soc. 137, 6629 (2015).
F. Le Formal, S.R. Pendlebury, M. Cornuz, S.D. Tilley, M. Gratzel, and J.R. Durrant: Back electron-hole recombination in hematite photoanodes for water splitting. J. Am. Chem. Soc. 136, 2564 (2014).
M. Barroso, S.R. Pendlebury, A.J. Cowan, and J.R. Durrant: Charge carrier trapping, recombination and transfer in hematite (α-Fe2O3) water splitting photoanodes. Chem. Sci. 4, 2724 (2013).
S.D. Tilley, M. Cornuz, K. Sivula, and M. Gratzel: Light-induced water splitting with hematite: improved nanostructure and iridium oxide catalysis. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 6405 (2010).
K. Sivula, F. Le Formal, and M. Gratzel: Solar water splitting: progress using hematite (α-Fe2O3) photoelectrodes. ChemSusChem 4, 432 (2011).
Z.D. Chen, H.N. Dinh, and E. Miller: Photoelectrochemical Water Splitting Standards, Experimental Methods, and Protocols (Springer, New York, NY, 2013).
P. Salvador: Semiconductors’ photoelectrochemistry: a kinetic and thermodynamic analysis in the light of equilibrium and nonequilibrium models. J. Phys. Chem. 6105, 6128 (2001).
M. Rioult, H. Magnan, D. Stanescu, and A. Barbier: Single crystalline hematite films for solar water splitting: Ti-doping and thickness effects. J. Phys. Chem. C 118, 3007 (2014).