Modeling and practical realization of thin film silicon-based integrated solar water splitting devices

Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science

Volumn 213, Issue 7, 2016, Pages 1738-1746

  Becker, Jan Philipp ^a   Urbain, Félix ^a   Smirnov, Vladimir ^a   Rau, Uwe ^a   Ziegler, Jürgen ^b   Kaiser, Bernhard ^b   Jaegermann, Wolfram ^b   Finger, Friedhelm ^a  

^a FORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH   (Germany)

^b DARMSTADT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY   (Germany)

Author keywords

silicon; solar cells; solar fuels; water splitting

Indexed keywords

CATALYSTS; EFFICIENCY; ELECTROLYTES; FIELD EMISSION CATHODES; HYDROGEN; PHOTOCATHODES; SILICON; SOLAR CELLS; THIN FILMS;

ELECTROLYTE CONCENTRATION; GRAPHICAL REPRESENTATIONS; OXYGEN EVOLUTION REACTION; OXYGEN EVOLVING CATALYSTS; PHOTOELECTROCHEMICAL PERFORMANCE; SOLAR FUELS; TRIPLE JUNCTION SOLAR CELLS; WATER SPLITTING;

SOLAR POWER GENERATION;

EID: 84959453406     PISSN: 18626300     EISSN: 18626319     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/pssa.201533025     Document Type: Article

References (86)

1. A. Fujishima and K. Honda, Nature 238, 37 (1972).
2. B. C. R. Ewan and R. W. K. Allen, Int. J. Hydrogen Energy 30, 809 (2005).
3. S. K. Suram, J. A. Haber, J. Jin, and J. M. Gregoire, ACS Comb. Sci. 17, 224 (2015).
4. B. Parkinson, Energy Environ. Sci. 3, 509 (2010).
5. J. M. Gregoire, C. Xiang, X. Liu, M. Marcin, and J. Jin, Rev. Sci. Instrum. 84, 24102 (2013).
6. B. Seger, I. E. Castelli, P. C. K. Vesborg, K. W. Jacobsen, O. Hansen, and I. Chorkendorff, Energy Environ. Sci. 7, 2397 (2014).
7. I. E. Castelli, T. Olsen, S. Datta, D. D. Landis, S. Dahl, K. S. Thygesen, and K. W. Jacobsen, Energy Environ. Sci. 5, 5814 (2012).
8. I. E. Castelli, F. Hüser, M. Pandey, H. Li, K. S. Thygesen, B. Seger, A. Jain, K. a. Persson, G. Ceder, and K. W. Jacobsen, Adv. Energy Mater. 5, 1400915 (2015).
9. L. Ciacci, B. K. Reck, N. T. Nassar, and T. E. Graedel, Environ. Sci. Technol. 49, 9443 (2015).
10. P. C. K. Vesborg and T. F. Jaramillo, RSC Adv. 2, 7933 (2012).
11. F. Urbain, V. Smirnov, J.-P. Becker, U. Rau, J. Ziegler, F. Yang, B. Kaiser, W. Jaegermann, S. Hoch, M. Blug, and F. Finger, Chem. Phys. Lett. 638, 25 (2015).
12. A. C. Nielander, M. R. Shaner, K. M. Papadantonakis, S. A. Francis, and N. S. Lewis, Energy Environ. Sci. 8, 16 (2015).
13. F. Urbain, V. Smirnov, J.-P. Becker, U. Rau, F. Finger, J. Ziegler, B. Kaiser, and W. Jaegermann, J. Mater. Res. 29, 2605 (2014).
14. F. Urbain, K. Wilken, V. Smirnov, O. Astakhov, A. Lambertz, J.-P. Becker, U. Rau, J. Ziegler, B. Kaiser, W. Jaegermann, and F. Finger, Int. J. Photoenergy 2014, 1 (2014).
15. F. Urbain, V. Smirnov, J.-P. Becker, A. Lambertz, F. Yang, J. Ziegler, B. Kaiser, W. Jaegermann, U. Rau, and F. Finger, Energy Environ. Sci. 9, 145 (2016).
16. H. Döscher, J. F. Geisz, T. G. Deutsch, and J. A. Turner, Energy Environ. Sci. 7, 2951 (2014).
17. L. Han, F. F. Abdi, P. Perez Rodriguez, B. Dam, R. van de Krol, M. Zeman, and A. H. M. Smets, Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 4220 (2014).
18. S. Hu, M. R. Shaner, J. A. Beardslee, M. Lichterman, B. S. Brunschwig, and N. S. Lewis, Science 344, 1005 (2014).
19. M. F. Lichterman, A. I. Carim, M. T. McDowell, S. Hu, H. B. Gray, B. S. Brunschwig, and N. S. Lewis, Energy Environ. Sci. 7, 3334 (2014).
20. M. T. McDowell, M. F. Lichterman, J. M. Spurgeon, S. Hu, I. D. Sharp, B. S. Brunschwig, and N. S. Lewis, J. Phys. Chem. C 118, 19618 (2014).
21. B. Seger, D. S. Tilley, T. Pedersen, P. C. K. Vesborg, O. Hansen, M. Grätzel, and I. Chorkendorff, RSC Adv. 3, 25902 (2013).
22. B. Seger, T. Pedersen, A. B. Laursen, P. C. K. Vesborg, O. Hansen, and I. Chorkendorff, J. Am. Chem. Soc. 135, 1057 (2013).
23. M. R. Shaner, S. Hu, K. Sun, and N. S. Lewis, Energy Environ. Sci. 8, 203 (2015).
24. C. R. Cox, M. T. Winkler, J. J. H. Pijpers, T. Buonassisi, and D. G. Nocera, Energy Environ. Sci. 6, 532 (2013).
25. N. C. Strandwitz, D. J. Comstock, R. L. Grimm, A. C. Nichols-Nielander, J. Elam, and N. S. Lewis, J. Phys. Chem. C 117, 4931 (2013).
26. B. Mei, A. A. Permyakova, R. Frydendal, D. Bae, T. Pedersen, P. Malacrida, O. Hansen, I. E. L. Stephens, P. C. K. Vesborg, B. Seger, and I. Chorkendorff, J. Phys. Chem. Lett. 5, 3456 (2014).
27. K. Sun, Y. Kuang, E. Verlage, B. S. Brunschwig, C. W. Tu, and N. S. Lewis, Adv. Energy Mater. 5, doi: 10.1002/aenm.201402276 (2015).
28. A. C. Nielander, M. J. Bierman, N. Petrone, N. C. Strandwitz, S. Ardo, F. Yang, J. Hone, and N. S. Lewis, J. Am. Chem. Soc. 135, 17246 (2013).
29. Z. Chen, T. F. Jaramillo, T. G. Deutsch, A. Kleiman-Shwarsctein, A. J. Forman, N. Gaillard, R. Garland, K. Takanabe, C. Heske, M. Sunkara, E. W. McFarland, K. Domen, E. L. Miller, J. a. Turner, and H. N. Dinh, J. Mater. Res. 25, 3 (2010).
30. C. C. L. McCrory, S. Jung, I. M. Ferrer, S. M. Chatman, J. C. Peters, and T. F. Jaramillo, J. Am. Chem. Soc. 137, 4347 (2015).
31. C. C. L. McCrory, S. Jung, J. C. Peters, and T. F. Jaramillo, J. Am. Chem. Soc. 135, 16977 (2013).
32. R. E. Rocheleau and E. L. Miller, Int. J. Hydrogen Energy 22, 771 (1997).
33. K. Sun, S. Shen, Y. Liang, P. E. Burrows, S. S. Mao, and D. Wang, Chem. Rev. 114, 8662 (2014).
34. Y. Surendranath, D. K. Bediako, and D. G. Nocera, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 15617 (2012).
35. M. R. Shaner, K. T. Fountaine, and H.-J. Lewerenz, Appl. Phys. Lett. 103, 143905 (2013).
36. M. T. Winkler, C. R. Cox, D. G. Nocera, and T. Buonassisi, Proc. Natl. Acad. Sci. 110, E1076 (2013).
37. J. Jin, K. Walczak, M. R. Singh, C. Karp, N. S. Lewis, and C. Xiang, Energy Environ. Sci. 7, 3371 (2014).
38. A. Berger and J. Newman, J. Electrochem. Soc. 161, E3328 (2014).
39. R. H. Coridan, A. C. Nielander, S. A. Francis, M. T. McDowell, V. Dix, S. M. Chatman, and N. S. Lewis, Energy Environ. Sci. 8, 2886 (2015).
40. J. Ziegler, B. Kaiser, W. Jaegermann, F. Urbain, J.-P. Becker, V. Smirnov, and F. Finger, Chem. Phys. Chem. 15, 4026 (2014).
41. F. Urbain, V. Smirnov, J.-P. Becker, U. Rau, J. Ziegler, B. Kaiser, W. Jaegermann, and F. Finger, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 140, 275 (2015).
42. P. Würfel, Physics of Solar Cells: From Basic Principles to Advanded Concepts (Wiley-VCH, Weinheim, 2009).
43. M. G. Walter, E. L. Warren, J. R. McKone, S. W. Boettcher, Q. Mi, E. A. Santori, and N. S. Lewis, Chem. Rev. 110, 6446 (2010).
44. J. A. Koza, Z. He, A. S. Miller, and J. A. Switzer, Chem. Mater. 24, 3567 (2012).
45. M. H. Miles, Y. H. Huang, and S. Srinivasan, J. Electrochem. Soc. 125, 1931 (1978).
46. P. Rasiyah and A. C. C. Tseung, J. Electrochem. Soc. 131, 803 (1984).
47. M. F. Kibria, M. S. Mridha, and A. H. Khan, Int. J. Hydrogen Energy 20, 435 (1995).
48. L. Han, F. F. Abdi, R. van de Krol, R. Liu, Z. Huang, H.-J. Lewerenz, B. Dam, M. Zeman, and A. H. M. Smets, ChemSusChem 7, 2832 (2014).
49. F. F. Abdi, L. Han, A. H. M. Smets, M. Zeman, B. Dam, and R. van de Krol, Nature Commun. 4, 2195 (2013).
50. N. Gaillard, Y. Chang, J. Kaneshiro, A. Deangelis, and E. L. Miller, Proc. SPIE 7770, 1 (2010).
51. E. L. Miller, D. Paluselli, B. Marsen, and R. E. Rocheleau, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 88, 131 (2005).
52. F. Zhu, J. Hu, I. Matulionis, T. Deutsch, N. Gaillard, A. Kunrath, E. Miller, and A. Madan, Philos. Mag. 89, 2723 (2009).
53. B. Liu, Z. Jin, L. Bai, J. Liang, Q. Zhang, C. Liu, Y. Zhao, and X. Zhang, J. Mater. Chem. A 3, 15583 (2015).
54. C. R. Cox, J. Z. Lee, D. G. Nocera, and T. Buonassisi, Proc. Natl. Acad. Sci. 111, 14057 (2014).
55. T. J. Jacobsson, V. Fjällström, M. Sahlberg, M. Edoff, and T. Edvinsson, Energy Environ. Sci. 6, 3676 (2013).
56. T. J. Jacobsson, V. Fjällström, M. Edoff, and T. Edvinsson, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 138, 86 (2015).
57. M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, and E. D. Dunlop, Prog. Photovolt.: Res. Appl. 22, 701 (2014).
58. A. Berger, R. a. Segalman, and J. Newman, Energy Environ. Sci. 7, 1468 (2014).
59. A. Delahoy, S. Gau, O. Murphy, M. Kapur, and J. Bockris, Int. J. Hydrogen Energy 10, 113 (1985).
60. A. Appleby, A. Delahoy, S. Gau, O. Murphy, M. Kapur, and J. O. Bockris, Energy 10, 871 (1985).
61. Y. Y. Sakai, S. Sugahara, M. Matsumura, Y. Nakato, H. Tsubomura, and M. Matsomura, Can. J. Chem. 66, 1853 (1988).
62. G. H. Lin, M. Kapur, R. C. Kainthla, and J. O. Bockris, Appl. Phys. Lett. 55, 386 (1989).
63. C. Gramaccioni, A. Selvaggi, and F. Galluzzi, Electrochim. Acta 38, 111 (1993).
64. R. Rocheleau, E. Miller, and A. Misra, Energy Fuels 0624, 3 (1998).
65. O. Khaselev, A. Bansal, and J. A. Turner, Int. J. Hydrogen Energy 26, 127 (2001).
66. Y. Yamada, Int. J. Hydrogen Energy 28, 1167 (2003).
67. N. Kelly and T. Gibson, Int. J. Hydrogen Energy 31, 1658 (2006).
68. S. Y. Reece, J. A. Hamel, K. Sung, T. D. Jarvi, A. J. Esswein, J. J. H. Pijpers, and D. G. Nocera, Science 334, 645 (2011).
69. V. Cristino, S. Berardi, S. Caramori, R. Argazzi, S. Carli, L. Meda, A. Tacca, and C. A. Bignozzi, Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 13083 (2013).
70. W. D. Chemelewski, H. C. Lee, J. F. Lin, A. J. Bard, and C. B. Mullins, J. Am. Chem. Soc. 136, 2843 (2014).
71. P. Bogdanoff, D. Stellmach, O. Gabriel, B. Stannowski, R. Schlatmann, R. van de Krol, and S. Fiechter, Energy Technol. 4, 230 (2016).
72. Y. Lin, C. Battaglia, M. Boccard, M. Hettick, Z. Yu, C. Ballif, J. W. Ager, and A. Javey, Nano Lett. 13, 5615 (2013).
73. L. Han, I. A. Digdaya, T. W. F. Buijs, F. F. Abdi, Z. Huang, R. Liu, B. Dam, M. Zeman, W. A. Smith, and A. H. M. Smets, J. Mater. Chem. A 3, 4155 (2015).
74. Z. Chen, T. Deutsch, H. Dinh, K. Domen, K. Emery, A. Forman, N. Gaillard, R. Garland, C. Heske, T. Jaramillo, A. Kleiman-Shwarsctein, E. Miller, K. Takanabe, and J. Turner, in: Photoelectrochem. Water Split (Springer, New York, 2013), pp. 7–16.
75. O. K. Varghese and C. A. Grimes, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 92, 374 (2008).
76. J. W. Ager, M. R. Shaner, K. A. Walczak, I. D. Sharp, and S. Ardo, Energy Environ. Sci. 8, 2811 (2015).
77. O. Khaselev and J. A. Turner, Science 280, 425 (1998).
78. G. Peharz, F. Dimroth, and U. Wittstadt, Int. J. Hydrogen Energy 32, 3248 (2007).
79. S. Licht, B. Wang, S. Mukerji, T. Soga, M. Umeno, and H. Tributsch, J. Phys. Chem. B 104, 8920 (2000).
80. J. Luo, J.-H. Im, M. T. Mayer, M. Schreier, M. K. Nazeeruddin, N.-G. Park, S. D. Tilley, H. J. Fan, and M. Gratzel, Science 345, 1593 (2014).
81. L. C. Seitz, Z. Chen, A. J. Forman, B. A. Pinaud, J. D. Benck, and T. F. Jaramillo, Chem. Sus. Chem. 7, 1372 (2014).
82. S. Hu, C. Xiang, S. Haussener, A. D. Berger, and N. S. Lewis, Energy Environ. Sci. 6, 2984 (2013).
83. S. Haussener, S. Hu, C. Xiang, A. Z. Weber, and N. S. Lewis, Energy Environ. Sci. 6, 3605 (2013).
84. S. Haussener, C. Xiang, J. M. Spurgeon, S. Ardo, N. S. Lewis, and A. Z. Weber, Energy Environ. Sci. 5, 9922 (2012).
85. C. Rodriguez, M. A. Modestino, C. Moser, and D. Psaltis, Energy Environ. Sci. 7, 3828 (2014).
86. M. A. Modestino and S. Haussener, Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 6, 13–34 (2015).