Covering α-Fe₂O₃ protection layer on the surface of p-Si micropillar array for enhanced photoelectrochemical performance

Highlights

SiMP/α-Fe₂O₃ improved photoeletrochemical stability of Si.

Optical absorption and photocurrent density of SiMP/α-Fe₂O₃ improved 2 and 4 times.

Enhanced photogenerated charge separation derived from built-in electric field.

Few papers with respect to the α-Fe₂O₃-covering-Si photocathode had been published.

Abstract

The spontaneous oxidation process of pristine silicon (Si) limits its application as photocatalyst or electrode in aqueous solution or moist air. Covering a protection layer on Si surface is an effective approach to overcome this disadvantage. In this paper, α-Fe₂O₃ is demonstrated to be an excellent alternative as a protection material. α-Fe₂O₃ layer was deposited around each p-type Si micropillar (SiMP) in well-ordered array by chemical bath deposition method. The diameter of SiMP was 5 mm and the thickness of α-Fe₂O₃ layer was about 20 nm. The photoeletrochemical stability of SiMP/α-Fe₂O₃ was proved by 10 circles cyclic voltammetry testing. Compared with SiMP, its optical absorption and photocurrent density improved 2 times and 4 times, respectively, and its onset potential for hydrogen evolution moved positively about 0.4 V. These improved performances could be ascribed to the enhanced photogenerated-charge-separation efficiency deriving from built-in electric field at the interface between Si and α-Fe₂O₃. The above results show an effective strategy to utilize Si material as photocatalyst or electrode in aqueous solution or moist air.

Graphical abstract

Keywords

Si / α-Fe₂O₃ / Photoelectrochemistry / Photogenerated charge separation

References

[1] Liu J, Cai H, Mei C, Wang M. Effects of nano-silicon and common silicon on lead uptake and translocation in two rice cultivars. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2015, 9(5): 905–911

[2] Liu Q, Wu F, Cao F, Chen L, Xie X, Wang W, Tian W, Li L. A multijunction of ZnIn₂S₄ nanosheet/TiO₂ film/Si nanowire for significant performance enhancement of water splitting. Nano Research, 2015, 8(11): 3524–3534

[3] Walter M G, Warren E L, McKone J R, Boettcher S W, Mi Q, Santori E A, Lewis N S. Solar water splitting cells. Chemical Reviews, 2010, 110(11): 6446–6473

[4] Lewis N S. An integrated, systems approach to the development of solar fuel generators. Interface, 2013, 22(2): 43–49

[5] Tong G, Guan J, Zhang Q. Goethite hierarchical nanostructures: Glucose-assisted synthesis, chemical conversion into hematite with excellent photocatalytic properties. Materials Chemistry and Physics, 2011, 127(1): 371–378

[6] Murphy A B, Barnes P R F, Randeniya L K, Plumb I C, Grey I E, Horne M D, Glasscock J A. Efficiency of solar water splitting using semiconductor electrodes. International Journal of Hydrogen Energy, 2006, 31(14): 1999–2017

[7] Wang X, Peng K Q, Hu Y, Zhang F Q, Hu B, Li L, Wang M, Meng X M, Lee S T. Silicon/hematite core/shell nanowire array decorated with gold nanoparticles for unbiased solar water oxidation. Nano Letters, 2014, 14(1): 18–23

[8] Klahr B M, Hamann T W. Voltage dependent photocurrent of thin film hematite electrodes. Applied Physics Letters, 2011, 99(6): 063508

[9] Kay A, Cesar I, Grätzel M. New benchmark for water photooxidation by nanostructured a-Fe₂O₃ films. Journal of the American Chemical Society, 2006, 128(49): 15714–15721

[10] Zhao H, Fu W, Yang H, Xu Y, Zhao W, Zhang Y, Chen H, Jing Q, Qi X, Cao J, Zhou X, Li Y. Synthesis and characterization of TiO₂/Fe₂O₃ core–shell nanocomposition film and their photoelectrochemical property. Applied Surface Science, 2011, 257(21): 8778–8783

[11] Jiang C, Liu L, Crittenden J C. An electrochemical process that uses an Fe⁰/TiO₂ cathode to degrade typical dyes and antibiotics and a bio-anode that produces electricity. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2016, 10(4): 1–8

[12] Kazazis D, Guha S, Bojarczuk N A, Zaslavsky A, Kim H C. Substrate Fermi level effects in photocatalysis on oxides: properties of ultrathin TiO₂/Si films. Applied Physics Letters, 2009, 95(6): 064103

[13] Yu H, Chen S, Quan X, Zhao H, Zhang Y. Silicon nanowire/TiO₂ heterojunction arrays for effective photoelectrocatalysis under simulated solar light irradiation. Applied Catalysis B: Environmental, 2009, 90(1–2): 242–248

[14] Yoon K H, Shin C W, Kang D H. Photoelectrochemical conversion in a WO₃ coated p-Si photoelectrode: effect of annealing temperature. Journal of Applied Physics, 1997, 81(10): 7024–7029

[15] Feng X, Qi X, Li J, Yang L, Qiu M, Yin J, Lu F, Zhong J. Preparation, structure and photo-catalytic performances of hybrid Bi₂SiO₅ modified Si nanowire arrays. Applied Surface Science, 2011, 257(13): 5571–5575

[16] Hodes G, Thompso L, DuBow J, Rajeshwar K. Heterojunction silicon/indium tin oxide photoelectrodes: development of stable systems in aqueous electrolytes and their applicability to solar energy conversion and storage. Journal of the American Chemical Society, 1983, 105(3): 324–330

[17] Tainboli A C, Malhotra M, Kimball G M, Turner-Evans D B, Atwater H A. Confonnal GaP layers on Si wire arrays for solar energy applications. Applied Physics Letters, 2010, 97(22): 221914

[18] Kim M S, Yim K G, Kim S, Main G, Leem J. White light emission from nano-fibrous ZnO thin films/porous silicon nanocomposite. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2011, 59(2): 364–370

[19] Hosono E, Fujihara S, Honma I, Ichihara M, Zhou H. Fabrication of nano/micro hierarchical Fe₂O₃/Ni micrometer-wire structure and characteristics for high rate Li rechargeable battery. Journal of the Electrochemical Society, 2006, 153(7): A1273–A1278

[20] Künle M, Janz S, Nickel K G, Heidt A, Luysberg M, Eibl O. Annealing of nm-thin Si_1−xC_x/SiC multilayers. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2013, 115: 11–20

[21] Su C, Li W, Liu X, Huang X, Yu X. Fe-Mn-sepiolite as an effective heterogeneous Fenton-like catalyst for the decolorization of reactive brilliant blue. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2016, 10(1): 37–45

[22] Wang Y, Cao J, Wang S, Guo X, Zhang J, Xia H, Zhang S, Wu S. Facile synthesis of porous a-Fe₂O₃ nanorods and their application in ethanol sensors. Journal of Physical Chemistry C, 2008, 112(46): 17804–17808

[23] Ke X, Xu L, Zeng C, Zhang L, Xu N. Synthesis of mesoporous TS-1 by hydrothermal and steam-assisted dry gel conversion techniques with the aid of triethanolamine. Microporous and Mesoporous Materials, 2007, 106(1): 68–75

[24] Hu X, Yu J C, Gong J, Li Q, Li G. a-Fe₂O₃ Nanorings prepared by a microwave-assisted hydrothermal process and their sensing properties. Advanced Materials, 2007, 19(17): 2324–2329

[25] Zhang S, Xu W, Zeng M, Li J, Xu J, Wang X. Hierarchically grown CdS/a-Fe₂O₃ heterojunction nanocomposites with enhanced visible-light-driven photocatalytic performance. Dalton Transactions (Cambridge, England), 2013, 42(37): 13417–13424

[26] Pendlebury S R, Barroso M, Cowan A J, Sivula K, Tang J, Grätzel M, Klug D, Durrant J R. Dynamics of photogenerated holes in nanocrystalline a-Fe₂O₃ electrodes for water oxidation probed by transient absorption spectroscopy. Chemical Communications, 2011, 47(2): 716–718

[27] Zeng Q, Bai J, Li J, Xia L, Huang K, Li X, Zhou B. A novel in situ preparation method for nanostructured a-Fe₂O₃ films from electrodeposited Fe films for efficient photoelectrocatalytic water splitting and the degradation of organic pollutants. Journal of Materials Chemistry. A, Materials for Energy and Sustainability, 2015, 3(8): 4345–4353

[28] Lu N, Quan X, Li J, Chen S, Yu H, Chen G. Fabrication of boron-doped TiO₂ nanotube array electrode and investigation of its photoelectrochemical capability. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(32): 11836–11842

[29] Kudo A, Miseki Y. Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting. Chemical Society Reviews, 2009, 38(1): 253–278

[30] Sze S M, Ng K K. Physics of Semiconductor Devices. New York: John Wiley & Sons, 2006

[31] F01 Committee. Practice for Conversion Between Resistivity and Dopant Density for Boron-Doped, Phosphorus-Doped, and Arsenic-Doped Silicon. Technical Representative, ASTM International, 1999, Available online at http://www.astm.org/Standards

[32] Xu Y, Schoonen M A A. The absolute energy positions of conduction and valence bands of selected semiconducting minerals. American Mineralogist, 2000, 85(3–4): 543–556

[33] George C, Beeldens A, Barmpas F, Doussin J, Manganelli G, Herrmann H, Kleffmann J, Mellouki A. Impact of photocatalytic remediation of pollutants on urban air quality. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2016, 10(5): 1–11

Acknowledgements

This work was supported by the National Nature Science Foundation of China (Grant No. 21590813), the Programme of Introducing Talents of Discipline to Universities (B13012) and the China Scholarship Council.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer–Verlag Berlin Heidelberg