Photoelectrochemical properties of P and N type tungsten disulfide

Laboratoire de Physique des Solides, CNRS 1, place A. Briand, 92195 Meudon Principal Cedex, France.

Abstract

Electrochemical and photoelectrochemical properties of single crystals of n or p type WS₂ electrodes have been studied using several redox couples in aqueous solution. The current-voltage characteristics without illumination indicated the rectifying nature of the electrolyte-semiconductor interface. The flat-band potential has been determined from capacitance measurements (Mott-Schottky plots) and from photopotentials vs redox potentials. With [math] species present in solution the flat-band potential shifts to more cathodic values, this is discussed in terms of specific adsorption of iodine at the semiconductor surface. The shift of the flat-band potential is related to the smooth or stepped nature of the semiconductor surface.

Résumé

Des cristaux du composé lamellaire semiconducteur WS₂ de type p et n ont été élaborés par transport chimique en phase vapeur. Leurs propriétés électrochimiques et photoélectrochimiques ont été étudiées en réalisant un contact entre les monocristaux et des solutions aqueuses contenant divers couples redox. A l'obscurité, le comportement I (V) de ces dispositifs indique un caractère redresseur analogue à celui d'une jonction semiconducteur-métal. Ces propriétés sont celles de l'interface semiconducteur-électrolyte. On observe respectivement un courant direct important sous polarisation cathodique pour le semiconducteur n et une caractéristique bloquante dans le sens d'une polarisation anodique par rapport au potentiel de repos et la caractéristique inverse pour le semiconducteur de type p. A partir des mesures de capacité de la jonction (à partir des droites C^-2(V)) on a pu déterminer par extrapolation le potentiel dit de bandes plates V_1b (C^-2 (V_1b) = 0). Ce potentiel généralement indépendant de la nature des couples redox a permis de montrer un comportement anormal avec certaines espèces comme [math], qui a tendance à déplacer V_1b dans le sens cathodique. Ceci est attribué à l'adsorption des ions [math] sur la surface du semiconducteur. On a montré que ce déplacement est en relation avec la qualité de la surface du semiconducteur définie par la concentration de marches. L'analyse des photocourants en fonction de la polarisation et suivant les divers systèmes redox a été effectuée. Elle montre un comportement dépendant de la nature du couple redox (transfert monoélectrique ou non). Les réponses du photocourant en fonction du temps sont marquées d'un caractère transitoire lors des transferts lents et des courbures de bandes faibles. Ces phénomènes sont discutés en fonction des cinétiques de transfert entre le semiconducteur et la solution et des effets de recombinaison de porteurs à l'interface.

En conclusion, les effets électrochimiques et photoélectrochimiques observés avec des cristaux de WS₂ (p ou n) et une solution aqueuse illustrent le comportement d'un interface semiconducteur-électrolyte caractéristique.