Vanquishing CZTSSe deep defects to enhance photoelectrocatalytic water splitting

Autor(es)

Araujo, Mileny dos Santos ; dos Santos, Hugo Leandro Sousa ; Medina, Marina ; Salomao, Arthur Corrado ; Mascaro, Lucia Helena ; Andrade Junior, Marcos Antonio Santana

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: Electrochimica Acta; v. 464, p. 7-pg., 2023-10-01.

Resumo

Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) is a promising material as a photocathode for photoelectrochemical (PEC) water splitting because it is inexpensive and composed of earth-abundant elements. However, it has a high density of deep defects, such as CuZn and ZnCu antisites, which is pointed out as the main cause of band tailing and low onset potential-based PEC devices. By substituting 10% of Cu+ by Ag+, the onset potential shifts positively from 0.2 to 0.4 VRHE, the photocurrent is almost three-folded, and solar-to-hydrogen efficiency is 6 times higher than that for the Ag-free photocathode. Absolute intensity photoluminescence (AIPL) in different light intensities was used to demonstrate that the Ag-substitution vanquishes the Cu/Zn-related defects. The quasi-Fermi level splitting (QFLS) values are obtained fitting the Katahara-modified model of the Planck Law, and the curve QFLS versus light intensity provides the quasi-Fermi Level pinning. The low QFLS pinning for CZTSSe indicates midgap states act as recombination centers, which are detrimental to the photocathode. The increased QFLS pinning for ACZTSSe evidence that Ag-partial substitution vanquishes the Cuzn-related defects, decreasing recombination, enhancing the charge carriers transport, and consequently, improving the hydrogen production. (AU)

• Processo FAPESP: 17/15144-9 - Calcogenetos dopados com metais para aplicação em células solares de bandas intermediárias
• Beneficiário: Marcos Antonio Santana Andrade Junior
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 17/11986-5 - Geração e Armazenamento de Novas Energias: trazendo desenvolvimento tecnológico para o país
• Beneficiário: Ana Flávia Nogueira
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia
• Processo FAPESP: 19/26860-2 - Síntese e modificação de filmes nanoestruturados de CuO/Ga2O4 e Cu2O/Ga2O4 aplicados na produção de H2 pela redução fotoeletroquímica da água
• Beneficiário: Hugo Leandro Sousa dos Santos
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Processo FAPESP: 14/50249-8 - Green chemistry: sustainable synthetic methods employing benign solvents, safer reagents, and bio-renewable feedstock
• Beneficiário: Arlene Gonçalves Corrêa
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia
• Processo FAPESP: 13/07296-2 - CDMF - Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais
• Beneficiário: Elson Longo da Silva
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão - CEPIDs
• Processo FAPESP: 17/12794-2 - Preparação, caracterização e aplicação de filmes de MoS2 e WS2 em fotoeletrocatálise para a produção de hidrogênio
• Beneficiário: Marina Medina da Silva
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
• Processo FAPESP: 20/09000-7 - Dispositivos de filmes finos de calcogenetos de alta eficiência para a conversão de energia solar em combustíveis
• Beneficiário: Arthur Corrado Salomão
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Iniciação Científica