Converting solar energy into fuel via photo-assisted water splitting to generate hydrogen or drive CO2 reduction is an attractive scientific and technological goal to address the increasing global demand for energy and to reduce the impact of energy production on climate change. Engineering an efficient, low-cost photocatalyst is necessary to achieve this technological goal. A photocatalyst combines a photosensitiser and an electrocatalyst to capture light and accelerate the chemical reactions in the same device. In this perspective paper, we first describe the recent developments of some families of semiconductors that are attractive candidates for engineering photocatalysts. We then discuss the use of semiconductors as light harvesting agents, combined with a bio-catalyst, synthetic bio-mimetic molecular catalyst or synthetic all-inorganic catalyst, in photocatalytic hybrid systems for water splitting and CO2 reduction. To highlight the advantages of semiconductors for engineering efficient and robust photocatalysts, we compare these systems to examples of homogeneous photocatalytic systems constructed from molecular photosensitisers (dyes). We conclude that all-inorganic catalysts coupled to appropriate semiconductors look more promising for the construction of robust photocatalytic hybrid systems for producing solar fuels.

Organic–inorganic metal halide perovskite solar cells were fabricated by laminating films of a carbon nanotube (CNT) network onto a CH3NH3PbI3 substrate as a hole collector, bypassing the energy-consuming vacuum process of metal deposition. In the absence of an organic hole-transporting material and metal contact, CH3NH3PbI3 and CNTs formed a solar cell with an efficiency of up to 6.87%. The CH3NH3PbI3/CNTs solar cells were semitransparent and showed photovoltaic output with dual side illuminations due to the transparency of the CNT electrode. Adding spiro-OMeTAD to the CNT network forms a composite electrode that improved the efficiency to 9.90% due to the enhanced hole extraction and reduced recombination in solar cells. The interfacial charge transfer and transport in solar cells were investigated through photoluminescence and impedance measurements. The flexible and transparent CNT network film shows great potential for realizing flexible and semitransparent perovskite solar cells.

To alleviate the limitations of pure sulfide Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) thin film, such as band gaps adjustment, antisite defects, secondary phase and microstructure, Cadmium is introduced into CZTS thin film to replace Zn partially to form Cu 2 Zn 1− x Cd x SnS 4 (CZCTS) thin film by low‐cost sol–gel method. It is demonstrated that the band gaps and crystal structure of CZCTS thin films are affected by the change in Zn/Cd ratio. In addition, the ZnS secondary phase can be decreased and the grain sizes can be improved to some degree by partial replacement of Zn with Cd in CZCTS thin film. The power conversion efficiency of CZTS solar cell device is enhanced significantly from 5.30% to 9.24% (active area efficiency 9.82%) with appropriate ratio of Zn/Cd. The variation of device parameter as a function of Zn/Cd ratio may be attributed to the change in electronic structure of the bulk CZCTS thin film (i.e., phase change from kesterite to stannite), which in turn affects the band alignment at the CZCTS/buffer interface and the charge separation at this interface.

A new inorganic solid state electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction (HER) is reported. Highly crystalline layered ternary sulfide copper-molybdenum-sulfide (Cu2MoS4) was prepared by a simple precipitation method from CuI and [MoS4]2− precursors. In aqueous solution and over a wide pH range (pH 0 to 7), this Cu2MoS4 showed very good catalytic activity for HER with an overvoltage requirement of only ca. 135 mV and an apparent exchange current density of 0.040 mA cm−2 (Tafel slope of ca. 95 mV per decade was found irrespective of the pH value). This Cu2MoS4 catalyst was found to be stable during electrocatalytic hydrogen generation. Therefore, it represents an attractive alternative to platinum.

Photocorrosion, that causes rapid deactivation of Cu2O photocatalysts, was addressed by incorporating this oxide in a composite with reduced graphene oxide which acts as an electron acceptor to extract photogenerated electrons from Cu2O. Cu2O–rGO composite engineering also allows enhancing significantly photocatalytic activities of Cu2O for H2 generation.

The electronic structure and energetic stability of A2BX6 halide compounds with the cubic and tetragonal variants of the perovskite-derived K2PtCl6 prototype structure are investigated computationally within the frameworks of density-functional-theory (DFT) and hybrid (HSE06) functionals. The HSE06 calculations are undertaken for seven known A2BX6 compounds with A = K, Rb, and Cs; and B = Sn, Pd, Pt, Te, and X = I. Trends in band gaps and energetic stability are identified, which are explored further employing DFT calculations over a larger range of chemistries, characterized by A = K, Rb, Cs, B = Si, Ge, Sn, Pb, Ni, Pd, Pt, Se, and Te; and X = Cl, Br, I. For the systems investigated in this work, the band gap increases from iodide to bromide to chloride. Further, variations in the A site cation influences the band gap as well as the preferred degree of tetragonal distortion. Smaller A site cations such as K and Rb favor tetragonal structural distortions, resulting in a slightly larger band gap. For variations in the B site in the (Ni, Pd, Pt) group and the (Se, Te) group, the band gap increases with increasing cation size. However, no observed chemical trend with respect to cation size for band gap was found for the (Si, Sn, Ge, Pb) group. The findings in this work provide guidelines for the design of halide A2BX6 compounds for potential photovoltaic applications.

Photoelectrochemical water splitting half reactions on semiconducting photoelectrodes have received much attention but efficient overall water splitting driven by a single photoelectrode has remained elusive due to stringent electronic and thermodynamic property requirements. Utilizing a tandem configuration wherein the total photovoltage is generated by complementary optical absorption across different semiconducting electrodes is a possible pathway to unassisted overall light-induced water splitting. Because of the low photovoltages generated by conventional photovoltaic materials (e.g., Si, CIGS), such systems typically consist of triple junction design that increases the complexity due to optoelectrical trade-offs and are also not cost-effective. Here, we show that a single solution processed organic–inorganic halide perovskite (CH3NH3PbI3) solar cell in tandem with a Fe2O3 photoanode can achieve overall unassisted water splitting with a solar-to-hydrogen conversion efficiency of 2.4%. Systematic electro-optical studies were performed to investigate the performance of tandem device. It was found that the overall efficiency was limited by the hematite's photocurrent and onset potential. To understand these limitations, we have estimated the intrinsic solar to chemical conversion efficiency of the doped and undoped Fe2O3 photoanodes. The total photopotential generated by our tandem system (1.87 V) exceeds both the thermodynamic and kinetic requirements (1.6 V), resulting in overall water splitting without the assistance of an electrical bias.

Spiro is beautiful. Two spiro-type molecules are compared at molecular level via single-crystallography. Through molecular engineering, we synthesized new hole transporting material PST1 which works efficiently in perovskite solar cells without cobalt dopant.

Here, we report a significant improvement of the photoelectrochemical (PEC) properties of hematite (α-Fe2O3) to oxidize water by doping with manganese. Hematite nanorods were grown on a fluorine-treated tin oxide (FTO) substrate by a hydrothermal method in the presence on Mn. Systematic physical analyses were performed to investigate the presence of Mn in the samples. Fe2O3 nanorods with 5 mol % Mn treatment showed a photocurrent density of 1.6 mA cm–2 (75% higher than that of pristine Fe2O3) at 1.23 V versus RHE and a plateau photocurrent density of 3.2 mA cm–2 at 1.8 V versus RHE in a 1 M NaOH electrolyte solution (pH 13.6). We attribute the increase in the photocurrent density, and thus in the oxygen evolving capacity, to the increased donor density resulting from Mn doping of the Fe2O3 nanorods, as confirmed by Mott–Schottky measurement, as well as the suppression of electron–hole recombination and enhancement in hole transport, as detected by chronoamperometry measurements.