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近日，我所太陽能研究部（DNL16）李燦院士、范峰滔研究員等利用表面光電壓方法，揭示了鐵電半導(dǎo)體光伏效應(yīng)中的彈道傳輸和漂移機制。
在太陽能光催化過程中，提高太陽能轉(zhuǎn)化效率的核心問題是提高光生電子和空穴的分離效率。由于自發(fā)的極化引起的不對稱電荷分離，鐵電半導(dǎo)體材料被認(rèn)為是太陽能光催化燃料生產(chǎn)的理想催化劑之一。鐵電的體光伏效應(yīng)可以直接產(chǎn)生空間上的電荷分離，無需構(gòu)筑p-n結(jié)或Schottky勢壘，在器件制備和界面構(gòu)筑上更加簡便，同時其光電轉(zhuǎn)化效率也不受限于Shockley–Queisser極限，利用體光伏效應(yīng)設(shè)計光催化劑有望可以給光催化領(lǐng)域帶來全新的突破。
團隊在前期工作中，研究了基于空間電荷層理論的退極化場促進的電荷分離機制，發(fā)現(xiàn)自發(fā)極化引起的退極化場是其電荷分離的主要驅(qū)動力，該電場貫穿整個單疇粒子，場強高達3.6kV/cm，是其他常見電場的數(shù)倍，證實了其光催化的潛力（Adv. Mater.，2020）。此外，團隊基于非中心對稱晶體的彈道傳輸機制，設(shè)計和構(gòu)筑雙極性電荷微納結(jié)構(gòu)，收集和利用彈道傳輸載流子熱能化長度內(nèi)的高能光生載流子實現(xiàn)水全分解反應(yīng)，為高效利用鐵電材料中高能光生電荷、實現(xiàn)高效太陽能轉(zhuǎn)換提供了新的思路和方法（Nat. Commun.，2022）。
本工作中，團隊進一步揭示和精確區(qū)分了體光伏效應(yīng)中的彈道傳輸機制對鐵電材料電荷分離的貢獻。由于體光伏效應(yīng)中彈道傳輸機制通常和另一種體光伏效應(yīng)——漂移機制共存，通常情況下這兩種機制耦合在一起，難以區(qū)分。盡管相關(guān)理論研究在上世紀(jì)70年代已經(jīng)建立起來，但是從實驗上觀察和區(qū)分還存在一些難度。理解和認(rèn)識體光伏效應(yīng)的兩種機制對于設(shè)計高效鐵電光催化劑和鐵電光電器件至關(guān)重要。
本研究利用非接觸、無損傷的表面光電壓測試，通過調(diào)制偏振光路，以鐵電鈦酸鋇單晶為模型，利用表面光電壓方法研究電荷分離，避免了常規(guī)光電流和光電壓測量時金屬電極和鐵電界面對體光伏效應(yīng)產(chǎn)生的額外影響。實驗結(jié)果表明，偏振光調(diào)制的表面光電壓是一種簡單、可行的研究鐵電材料體光伏效應(yīng)的方法。體光伏效應(yīng)中，彈道傳輸和漂移機制對于電荷分離具有不同的影響。漂移機制會隨著線偏振光方向而呈現(xiàn)正弦形式的變化，通過擬合可以得到彈道傳輸和漂移機制的表面光電壓值。彈道傳輸和漂移機制引起的電荷分離方向相反，且大小在相同量級。這些結(jié)果表明，偏振光調(diào)制的表面光電壓譜可以作為一種研究鐵電體光伏效應(yīng)的手段，鐵電材料中復(fù)雜的電荷分離機制可以通過光學(xué)手段進行選擇性的觸發(fā)和調(diào)控，為后期利用光、電外場理性設(shè)計和組裝高效鐵電光催化劑提供了科學(xué)基礎(chǔ)。
相關(guān)成果以“Bulk Photovoltage Effect in Ferroelectric BaTiO3”為題，發(fā)表在《物理化學(xué)快報》（The Journal of Physical Chemistry Letters）上。該工作的第一作者是我所DNL16博士后劉永。該工作得到國家自然科學(xué)基金委“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、國家重點研發(fā)計劃、我所創(chuàng)新基金等項目的資助。（文/圖 劉永）
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c03194
（原標(biāo)題：我所揭示鐵電體光伏效應(yīng)中兩種不同的電荷分離機制）
標(biāo)簽： 光伏效應(yīng) 電荷分離
