中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、副研究員姚婷婷等在光電催化分解水研究方面取得重要進(jìn)展，以單晶硅光電極為模型，識別了金屬—氧化物—半導體（MOS）結構光陽(yáng)極中制約其性能的關(guān)鍵界面因素，并針對性地引入相關(guān)界面調控策略，有效地促進(jìn)了光生電荷分離提取和利用效率，實(shí)現了對光電轉化器件的理性設計和優(yōu)化。相關(guān)成果發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì )會(huì )志》。
通過(guò)太陽(yáng)能驅動(dòng)水分解制氫是解決能源與可持續發(fā)展問(wèn)題的途徑之一。光陽(yáng)極上水氧化產(chǎn)氧半反應動(dòng)力學(xué)緩慢，是太陽(yáng)能光電催化分解水的決速步驟。其中，光生電荷的產(chǎn)生、分離提取以及傳輸利用是實(shí)現高效光（電）至化學(xué)能轉化的幾個(gè)關(guān)鍵步驟。在“界面能帶調控”研究方面，團隊前期以硅基光電極為研究模型，發(fā)現了n-Si/ITO肖特基光電器件的界面類(lèi)施主態(tài)缺陷抑制光生電荷的分離和傳輸，揭示了界面能帶結構與光電器件特性的關(guān)系?；谇捌谔剿?，發(fā)現獲得高性能Schottky硅基光電極的關(guān)鍵是通過(guò)降低缺陷位點(diǎn)濃度，從而減小提取電荷過(guò)程中的損失，因此，需要進(jìn)一步明確電極界面性質(zhì)和光—電—化學(xué)能轉化之間的關(guān)聯(lián)，從而可以采取有針對性的優(yōu)化策略。
在前期工作基礎上，本工作以n-Si/oxide(MOx)/Ni光陽(yáng)極體系為模型，研究了不同特點(diǎn)異質(zhì)結界面對電荷分離傳輸性能、光電/光電化學(xué)性能的影響。研究人員通過(guò)原子層沉積可控制備氧化鋁（AlOx）薄層，有效地消除n-Si/Ni中的界面釘扎，形成具有較高勢壘和內建電場(chǎng)的MOS異質(zhì)結，顯著(zhù)提高光電轉化效率；引入AlOx薄層的同時(shí)，在n-Si導帶下0.59eV處產(chǎn)生類(lèi)施主態(tài)深缺陷，其能夠在反向偏壓下發(fā)生離子化；通過(guò)AlOx與薄層Au的相互作用可消除這種深缺陷，從而使得光生電荷的分離提取達到最大化。最終，研究人員獲得的n-Si/SiOx/AlOx/Au/Ni/NiFeOx光陽(yáng)極的填充因子達到0.75。
（a）PEC性能曲線(xiàn)。固態(tài)器件在暗態(tài)下測試的（b）電流密度-電壓曲線(xiàn)，（c）電容-電壓曲線(xiàn)和（d）莫特肖特基曲線(xiàn)。
通過(guò)在PEC性能中扣除電催化性能而獲得的光伏曲線(xiàn)。（b）電荷分離效率，以及積累電荷量和時(shí)間常數。
（c）電容倒數對偏壓的微分隨偏壓變化的曲線(xiàn)。（d）在施加偏壓下ED越過(guò)EF并發(fā)生缺陷電離的能帶示意圖。
（a）以AlOX/Au雙界面層修飾為基準，計算在不同體系下不同界面層修飾之間的差異。
（b）在1.0 M KOH溶液中測試得到的的電壓-電位圖。
（c）n-Si/SiOX/AlOX/Au/Ni/NiFeOX光陽(yáng)極的ABPE效率與及電極的結構示意圖。（d）穩定性測試曲線(xiàn)。
該工作證明了界面電子結構在太陽(yáng)能光電轉換領(lǐng)域的重要性，為光電極的理性設計提供了科學(xué)依據。
