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Epitaxial III–V Films and Surfaces for Photoelectrocatalysis

Authors

  • Dr. Henning Döscher,

    Corresponding author
    1. Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin (Germany), Fax: (+49) (0)30-8062-42434
    2. Institut für Physik, Technische Universität Ilmenau, Weimarer Str. 25, 98693 Ilmenau (Germany)
    • Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin (Germany), Fax: (+49) (0)30-8062-42434
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  • Oliver Supplie,

    1. Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin (Germany), Fax: (+49) (0)30-8062-42434
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  • Matthias M. May,

    1. Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin (Germany), Fax: (+49) (0)30-8062-42434
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  • Philipp Sippel,

    1. Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin (Germany), Fax: (+49) (0)30-8062-42434
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  • Christian Heine,

    1. Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin (Germany), Fax: (+49) (0)30-8062-42434
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  • Dr. Andrés G. Muñoz,

    1. Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin (Germany), Fax: (+49) (0)30-8062-42434
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  • Dr. Rainer Eichberger,

    1. Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin (Germany), Fax: (+49) (0)30-8062-42434
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  • Prof. Hans-Joachim Lewerenz,

    1. Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin (Germany), Fax: (+49) (0)30-8062-42434
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  • Prof. Thomas Hannappel

    1. Institut für Solare Brennstoffe und Energiespeichermaterialien, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Hahn-Meitner-Platz 1, 14109 Berlin (Germany), Fax: (+49) (0)30-8062-42434
    2. Institut für Physik, Technische Universität Ilmenau, Weimarer Str. 25, 98693 Ilmenau (Germany)
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Abstract

Efficient photoelectrochemical devices for water splitting benefit from the highest material quality and dedicated surface preparation achieved by epitaxial growth. InP(100)-based half-cells show significant solar-to-hydrogen efficiencies, but require a bias due to insufficient voltage. Tandem absorber structures may provide both adequate potential and efficient utilization of the solar spectrum. We propose epitaxial dilute nitride GaPNAs photocathodes on Si(100) substrates to combine close-to-optimum limiting efficiency, lattice-matched growth, and established surface preparation. Prior to a discussion of the challenging III–V/Si(100) heterojunction, we describe the closely related epitaxial preparation of InP(100) surfaces and its beneficial impact on photoelectrochemical water-splitting performance. Analogies and specific differences to GaP(100) surfaces are discussed based on in situ reflectance anisotropy and on two-photon photoemission results. Preliminary experiments regarding GaP/Si(100) photoelectrochemistry and dilute nitride GaPN heteroepitaxy on Si(100) confirm the potential of the GaPNAs/Si tandem absorber structure for future water-splitting devices.

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