光电化学水分解是化学工业和氢燃料电池中氢可持续生产的有前途的途径。大多数光电化学水分解系统的基本组件是耦合到电催化剂上的半导体光吸收剂，它们执行所需的化学反应。这些系统设计的一个关键挑战是在工作水分解条件下，大多数所需半导体的稳定性不足。解决此问题的一种策略是通过用稳定的绝缘体层覆盖半导体来保护半导体，创建一种金属-绝缘体-半导体（MIS）体系结构，该结构已显示出更高的稳定性。除了增强的稳定性外，绝缘层还可能显着影响电子和空穴的传输，从而控制了复合速率。此外，绝缘体层的插入导致引入额外的绝缘体/电催化剂和绝缘体/半导体界面。这些接口可能会严重影响系统的性能，因此需要对其进行精心设计以优化MIS系统的效率。
有鉴于此，密歇根大学Suljo Linic等人，描述了绝缘体和界面对MIS系统性能的关键作用的最新研究进展。
本文要点
1）通过重点关注由HfO2绝缘层保护并与执行析氧反应（水分解半反应之一）的Ni或Ir电催化剂偶联的平面n型Si的具体示例来进行讨论。为了增进对绝缘层的基本了解，使用原子层沉积（ALD）精确控制HfO2绝缘层的厚度，并进行了一系列严格的电化学实验，并结合了理论和建模方法。证明了通过调整绝缘层的厚度，可以控制光生电子和空穴的通量和复合，以优化产生的光电压。
2）尽管优化了绝缘层的厚度，但发现MIS系统中产生的最大光电压通常明显低于性能上限，即系统中存在额外的损耗，无法通过优化绝缘体厚度来解决。确定了这些损耗的来源，并描述了通过改善半导体光吸收，消除与界面缺陷相关的非理想性以及寻找具有改善的电荷载流子选择性的替代绝缘体的组合来将其最小化的策略。最后，量化了通过实施这些具体策略可以获得的改进。
总之，该工作概述了分析MIS系统，确定效率损失的来源以及优化设计以接近基本性能极限的策略。这些通用方法广泛适用于利用阳光产生增值化学品的光电化学材料。
参考文献：
John R. Hemmerling et al. Design Principles for Efficient and Stable Water Splitting Photoelectrocatalysts. Acc. Chem. Res., 2021.
DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00072
https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00072
