近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所太陽(yáng)能研究部中科院院士李燦、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(shí)別了金屬—氧化物—半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)光陽(yáng)極中制約其性能的關(guān)鍵界面因素，并針對(duì)性地引入相關(guān)界面調(diào)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(xiàn)了對(duì)光電轉(zhuǎn)化器件的理性設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
大連化物所揭示硅基光電極中界面特征對(duì)性能的影響
通過(guò)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水分解制氫是解決能源與可持續(xù)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(yīng)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(xiàn)高效光（電）至化學(xué)能轉(zhuǎn)化的幾個(gè)關(guān)鍵步驟。李燦團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于解決這些關(guān)鍵問(wèn)題，從“寬光譜捕光材料”（Adv. Energy Mater.，2018；Chem. Cat. Chem.，2020）、“高效電荷分離”（J. Am. Chem. Soc.，2008；Nat. Commun.，2013；Nat. Energy，2018）、“界面能帶調(diào)控”（Chem. Sus. Chem.，2015；J. Am. Chem. Soc.，2016）、“表面電荷儲(chǔ)存”（Angew. Chem. Int. Ed.，2014；Angew. Chem. Int. Ed.，2021）等多個(gè)維度開(kāi)展了系統(tǒng)性的研究。其中，在“界面能帶調(diào)控”研究方面，前期以硅基光電極為研究模型，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)與光電器件特性的關(guān)系（J. Am. Chem. Soc.，2016）?；谇捌谔剿?，發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)化之間的關(guān)聯(lián)，從而可以采取有針對(duì)性的優(yōu)化策略。
在前期工作基礎(chǔ)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(jié)界面對(duì)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(shì)壘和內(nèi)建電場(chǎng)的MOS異質(zhì)結(jié)，顯著提高光電轉(zhuǎn)化效率；引入AlOx薄層的同時(shí)，在n-Si導(dǎo)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(dá)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(dá)到0.75。該工作證明了界面電子結(jié)構(gòu)在太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的重要性，為光電極的理性設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。
相關(guān)成果以“Identifying and Removing the Interfacial States in Metal-Oxide–Semiconductor Schottky Si Photoanodes for the Highest Fill Factor”為題，于近日發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc.）上，該工作的第一作者是大連化物所與蘭州大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生馬江平。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、基金委“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心、遼寧省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院A類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”、大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
