Teoria e Simulação de Fotoeletrodos Metálico–Isolante–Semicondutor (MIS)

Uma estrutura de metal–isolante–semicondutor (MIS) é uma arquitetura atraente de fotoeletrodo-catalisador para promover reações fotoeletroquímicas, como a formação de H2 pela redução de prótons. O metal catalisa a geração de H2 usando elétrons gerados pela absorção de fótons e separação de carga no semicondutor. A camada isolante entre o metal e o semicondutor protege este último da foto-corrosão e, também, impacta significativamente a fotovoltaicidade na superfície do metal. Compreender como a camada isolante determina a fotovoltaicidade e quais propriedades levam a altas fotovoltaicidades é crítico para o desenvolvimento de estruturas MIS para conversão de energia solar em química. Aqui, apresentamos um modelo contínuo para o transporte de portadores de carga do semicondutor para o metal, com ênfase nos mecanismos de transporte de carga através do isolante. As curvas de polarização e fotovoltaicidades previstas por este modelo para uma estrutura MIS Pt/HfO2/p-Si em diferentes espessuras de HfO2 concordam bem com os dados medidos experimentalmente. As simulações revelam como as propriedades do isolante (ou seja, espessura e estrutura de banda) afetam a curvatura da banda próxima à interface semicondutor/isolante e como ajustá-las pode levar a uma operação mais próxima da fotovoltaicidade máxima atingível, o potencial de banda plana. Este fenômeno é compreendido considerando a mudança na resistência de tunelamento com as propriedades do isolante. O modelo mostra que o melhor desempenho do MIS é alcançado com offsets de banda de semicondutor/isolante altamente simétricos (por exemplo, BeO, MgO, SiO2, HfO2 ou ZrO2 depositados em Si) e uma espessura de isolante baixa a moderada (por exemplo, entre 0,8 e 1,5 nm). Além de 1,5 nm, a densidade de locais de armadilha interfaciais preenchidos é alta e limita significativamente a fotovoltaicidade e a taxa de conversão solar-químico. Essas conclusões são verdadeiras para fotocátodos e fotoânodos. Essa compreensão fornece uma visão crítica sobre os fenômenos que melhoram e limitam o desempenho do fotoeletrodo e como esse fenômeno é influenciado pelas propriedades do isolante. O estudo dá orientações para o desenvolvimento de isolantes de próxima geração para estruturas MIS que alcançam alto desempenho.