Synthesis of nanostructured Sn doped hematite photoanodes for hydrogen production via PEC solar water splitting. Preliminary results on the silicon hematite tandem cell

The Hematite (Fe2O3) is considered a promising material for photoanodes assembling. These anodes are applied in solar water splitting to produce hydrogen, using a Photo Electrochemical cell. This semiconductor has good qualities like low cost and high chemical stability; despite this there are some limitations, such as low electrons and electron holes mobility, low light absorption coefficient and conduction band energy value insufficient to reduce water into hydrogen. In this project these photoanodes have been engineered, improving their performance. Aiming to increase the light absorption coefficient and to reduce the distance that the electron holes have to travel within the material, a nanostructure has been made on the photoanode surface. To this purpose, a porous support was realized in order to generate a nanostructure electrodepositing iron inside these pores. This iron, after the removal of the porous support and the oxidation process to hematite, constitutes the photo active material of the anode. This porous support, called Anodic Aluminum Oxide (AAO), has been obtained in a regular and reproducible way through a two steps anodisation, realized in oxalic acid 0,3 M, at 4°C and 40 V. Pores have a diameter between 60 and 80 nm, dimensions suitable for generating an efficient nanostructured photoanode. An increase in electrons mobility has been obtained doping the hematite with tin. A 4% Sn doping concentration guarantees a double photocurrent (AM1,5) production at 1,23 V vs RHE with respect to the undoped material, as well as a reduction of 0.2 V in onset potential. The analysis conducted with the photoanode samples reveals a photocurrent density (AM 1,5) production of 0,05 mA/cm2 at 1.23 V vs RHE, for a Sn doped hematite nanostructured photoanode, with nanowires of 600 nm height and 100 nm diameter. Finally, to increase the energy of the photoanode conduction band, insufficient to run the water reduction reaction, an innovative tandem cell is created coupling an n-type Silicon and an n-type Fe2O3. This has been obtained nanostructuring Sn-doped hematite over a Si support. This innovative photoanode has shown a measurable photocurrent response under illumination (AM 1,5). Although these are preliminary results, this observation constitutes an important Proof of Concept for future researches.

L’ematite (Fe2O3) è considerata un materiale promettente per la produzione di fotoanodi applicati alla tecnologia Photo Electrochemical Cell, per la scissione dell’acqua. Questo semiconduttore possiede diverse qualità, quali economicità e stabilità chimica, a dispetto di alcune limitazioni: bassa mobilità degli elettroni e delle vacanze elettroniche, scarso coefficiente di assorbimento della radiazione solare e banda di conduzione ad energia inferiore rispetto a quella richiesta per la reazione di riduzione dell’acqua a idrogeno. Nel presente progetto si è ingegnerizzato questo fotoanodo, migliorandone le prestazioni. Per incrementare il coefficiente di assorbimento della radiazione e ridurre il percorso delle vacanze elettroniche nel materiale, è stata nanostrutturata la superficie del fotoanodo. Si è prima generato un supporto poroso di allumina, nel quale è stato poi elettrodepositato del ferro che, una volta rimosso il supporto poroso, viene ossidato ad ematite: il materiale foto-attivo dell’anodo. Questo supporto chiamato Anodic Aluminum Oxide (AAO) è stato ottenuto in modo regolare e riproducibile attraverso un processo di anodizzazione in due steps, realizzata in acido ossalico 0,3 M, a 4°C e 40 V. I pori dell’AAO hanno diametro tra 60 e 80 nm, dimensioni adatte per generare un efficiente fotoanodo nanostrutturato. Inoltre l’aumento della mobilità degli elettroni è stato ottenuto tramite doping dell’ematite con stagno. Una concentrazione di stagno pari al 4% ha garantito una performance di produzione di fotocorrente (AM1,5) a 1,23 V vs RHE doppia rispetto all’ematite non dopata, nonché una riduzione di 0,2 V nel potenziale di onset. Le analisi dei campioni mostrano una produzione di densità di fotocorrente (AM1,5) pari a 0,05 mA/cm2 a 1,23 V vs RHE, per un foto anodo di ematite nano strutturato, dopato 4% Sn, con nanowires di 600 nm di altezza e 100 nm di diametro. Infine per innalzare la banda di conduzione del fotoanodo, che non permette di eseguire la reazione di riduzione dell’acqua a idrogeno, si è assemblata una tandem cell accoppiando un supporto di silicio (n-type) con Fe2O3 (n-type). Questo è stato possibile nanostrutturando l’ematite dopata con stagno, direttamente su uno strato di silicio. L’innovativo fotoanodo così ottenuto ha mostrato, sotto illuminazione (AM 1,5), una produzione di fotocorrente misurabile. Sebbene si tratti di risultati preliminari, quest’ultima osservazione costituisce un importante Proof of Concept per future ricerche.