Теперь исследователи Калифорнийского технологического института из Объединенного центра искусственного фотосинтеза (JCAP) разработали метод защиты этих обычных полупроводников от коррозии, даже если материалы продолжают эффективно поглощать свет. Открытие открывает путь к использованию этих материалов в генераторах солнечного топлива.«В течение большей части полувека эти материалы считались непригодными для такого использования», — говорит Нейт Льюис, профессор Джорджа Л. Аргироса, профессор химии в Калифорнийском технологическом институте и главный исследователь статьи. «Но мы не отказались от разработки схем, с помощью которых мы могли бы защитить их, и теперь эти технологически важные полупроводники снова на столе».Исследование, проведенное Шу Ху, докторантом химии из Калифорнийского технологического института, опубликовано в номере журнала Science от 30 мая.
В типе интегрированного генератора на солнечном топливе, который пытается создать JCAP, должны иметь место две полураакции: одна включает окисление воды с образованием газообразного кислорода; другой связан с восстановлением воды с образованием газообразного водорода. Для каждой полуреакции требуется как светопоглощающий материал, служащий фотоэлектродом, так и катализатор, управляющий химией. Кроме того, две реакции должны быть физически разделены барьером, чтобы избежать образования взрывоопасной смеси их продуктов.
Исторически сложилось так, что было особенно трудно найти светопоглощающий материал, который надежно проводил бы полуреакцию окисления. Исследователи без особого успеха пробовали различные материалы и многочисленные методы нанесения покрытий на обычные светопоглощающие полупроводники. Проблема заключалась в том, что если защитный слой слишком тонкий, водный раствор проникает насквозь и разъедает полупроводник.
С другой стороны, если слой слишком толстый, он предотвращает коррозию, но также блокирует поглощение света полупроводником и препятствует прохождению электронов через катализатор, который запускает реакцию.В Калтехе исследователи использовали процесс, называемый осаждением атомного слоя, чтобы сформировать слой диоксида титана (TiO2) — материала, который содержится в белой краске, многих зубных пастах и солнцезащитных кремах — на монокристаллах кремния, арсенида галлия или фосфида галлия.
Ключевым моментом было то, что они использовали форму TiO2, известную как «дырявый TiO2» — потому что он пропускает электричество. Впервые изготовленные в 1990-х годах в качестве материала, который может быть полезен для создания компьютерных микросхем, негерметичные оксиды были отвергнуты как нежелательные из-за их свойств утечки заряда.
Тем не менее, негерметичный TiO2, похоже, был именно тем, что было необходимо для этого солнечного топливного генератора. Осажденный в виде пленки толщиной от 4 до 143 нанометров, TiO2 оставался оптически прозрачным на полупроводниковых кристаллах, позволяя им поглощать свет, и защищал их от коррозии, но позволял электронам проходить через них с минимальным сопротивлением.Поверх TiO2 исследователи нанесли «островки» толщиной 100 нанометров из обильного недорогого материала оксида никеля, который успешно катализирует окисление воды с образованием молекулярного кислорода.
Эта работа, похоже, теперь делает множество доступных вариантов в качестве возможных светопоглощающих материалов для окислительной стороны уравнения водоразделения. Однако, подчеркивают исследователи, пока неизвестно, будет ли защитное покрытие работать также, если оно будет нанесено с использованием недорогой, менее контролируемой техники нанесения, такой как окраска или напыление TiO2 на полупроводник.
Кроме того, до сих пор команда Caltech проверила полупроводники с покрытием только в течение нескольких сотен часов непрерывного освещения.«Это уже рекорд с точки зрения как эффективности, так и стабильности для этой области, но мы еще не знаем, откажет ли система в долгосрочной перспективе, и пытаемся гарантировать, что мы сделаем что-то, что прослужит долгие годы на больших площадях, вместо недель », — говорит Льюис. «Это следующий шаг».