近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、姚婷婷副研究員等人在光電催化分解水研究方面取得重要進(jìn)展。該工作以單晶硅光電極為模型，識別了金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)光陽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(diào)控策略，有效地促進(jìn)了光生電荷分離提取和利用效率，實現(xiàn)了對光電轉(zhuǎn)化器件的理性設(shè)計和優(yōu)化。

自工業(yè)革命以來，能源與環(huán)境問題一直是制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的全球性焦點(diǎn)，尤其是近年來，極端氣候及疫情產(chǎn)生的影響尤為明顯。我國也提出了“碳達(dá)峰，碳中和”的綠色發(fā)展戰(zhàn)略及系列政策，以綠色能源為主體的能源結(jié)構(gòu)構(gòu)建迫在眉睫。通過清潔可再生的太陽能驅(qū)動水分解制氫是提供綠氫的有效途徑之一，其中光生電荷的有效分離傳輸與轉(zhuǎn)化利用，是決定太陽能到氫能轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

硅材料具有寬光譜捕光能力、優(yōu)異的載流子遷移率和高達(dá)微米-毫米級的擴(kuò)散長度，被廣泛應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，已具備成熟的工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。基于硅基材料的光電極研究在近些年也取得了一定的進(jìn)展，通過引入不同的表/界面薄層修飾材料來實現(xiàn)光電極轉(zhuǎn)化效率的提升和穩(wěn)定性的改善，展示出了一定的應(yīng)用前景，但在微觀層次仍缺乏對器件性能與界面性質(zhì)關(guān)聯(lián)的清晰化認(rèn)識，難以準(zhǔn)確識別光電化學(xué)器件研究中的關(guān)鍵問題，從而理性地采取設(shè)計和優(yōu)化策略。

在前期研究中，作者以硅基光電極為模型體系，發(fā)現(xiàn)了n-Si/ITO肖特基光電器件的界面類施主態(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, 138, 13664-13672）?；谇捌谔剿鳎@得高性能Schottky硅基光電極的關(guān)鍵是通過降低缺陷位點(diǎn)濃度來減小提取電荷過程中的損失，這需要明確電極界面性質(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光陽極體系為模型，研究了不同特點(diǎn)異質(zhì)結(jié)界面對電荷分離傳輸性能、光電/光電化學(xué)性能的影響。通過原子層沉積可控制備氧化鋁 (AlOX) 薄層，可以有效地消除n-Si/Ni中的界面釘扎，形成具有較高勢壘和內(nèi)建電場的MOS異質(zhì)結(jié)，顯著提高光電轉(zhuǎn)化效率；AlOX薄層的引入同時在n-Si導(dǎo)帶下0.59 eV處產(chǎn)生類施主態(tài)深缺陷，其能夠在反向偏壓下發(fā)生離子化，導(dǎo)致約10%的光生電荷發(fā)生復(fù)合；通過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，獲得的n-Si/SiOX/AlOX/Au/Ni/NiFeOX光陽極的填充因子達(dá)到0.75的創(chuàng)記錄值。這項研究工作說明界面電子結(jié)構(gòu)在太陽能光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的重要性，為光電極的理性設(shè)計提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

相關(guān)成果近日發(fā)表在《美國化學(xué)會會志》（J. Am. Chem. Soc.）上，該工作的第一作者是博士生馬江平，通訊作者是李燦院士和姚婷婷副研究員。該工作得到國家自然科學(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)計劃、中科院先導(dǎo)A、大連化物所創(chuàng)新基金等項目的資助。