Si-based photocathodes for the photoelectrochemical purification of water

Si-based photocathodes have been investigated for use as counterelectrodes in oxide-based photoelectrochemical water purification cells. Bare p-type silicon (either crystalline silicon or amorphous hydrogenated silicon a-Si:H obtained by plasma deposition) is found to exhibit poor catalytic properties for the photoelectrochemical reduction of dioxygen. Improvement in photocathode performance has been sought through the deposition of small amounts of platinum on the Si surface, and improvement in electrode stability has been sought through the formation of a thin organic layer covalently anchored to the Si surface, or through the deposition of a thin conductive-oxide film. Combining both treatments allows to obtain photocathodes with performances just slightly better than those of a bare Pt cathode. Much larger improvements in photocathode performance (+0.9 V shift in the voltammetric curves) have been obtained by using a p+/i/n+ a-Si:H structure with similar coatings. The concept is readily scalable to large-area electrodes, which appears promising for practical sunlight powered water purification reactors. To cite this article: J.-N. Chazalviel et al., C. R. Chimie 9 (2006).

RésuméDes photocathodes à base de silicium ont été étudiées en vue de leur utilisation comme contre-électrodes dans des cellules de purification de l'eau à base d'oxydes. Le silicium nu de type p (silicium cristallin ou silicium amorphe hydrogéné obtenu par dépôt plasma) présente des propriétés catalytiques médiocres pour la réduction photoélectrochimique du dioxygène. On a cherché à améliorer les performances de ces photocathodes par dépôt de petites quantités de platine sur la surface, et leur stabilité par la formation d'une mince couche organique ancrée de façon covalente à la surface du silicium, ou par dépôt d'un film mince d'oxyde conducteur. La combinaison de ces deux traitements permet d'obtenir des photocathodes présentant des performances légèrement meilleures que celles d'une cathode de platine nu. Des performances bien supérieures (décalage de +0,9 V des courbes voltampérométriques) ont été obtenues en utilisant une structure a-Si:H p+/i/n+ recouverte de couches semblables. Le concept est immédiatement transposable à des électrodes en grande surface, et apparaît prometteur pour une utilisation pratique dans des réacteurs de purification de l'eau fonctionnant à l'énergie solaire. Pour citer cet article : J.-N. Chazalviel et al., C. R. Chimie 9 (2006).