近日，中國科學院大連化學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展。該工作以單晶硅光電極為模型，識別了金屬-氧化物-半導體（MOS）結構光陽極中制約其性能的關鍵界面因素，并針對性地引入相關界面調(diào)控策略，有效地促進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，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構構建迫在眉睫。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微米-毫米級的擴散長度，被廣泛應用于光電轉(zhuǎn)換領域，已具備成熟的工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈?；诠杌牧系墓怆姌O研究在近些年也取得了一定的進展，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，展示出了一定的應用前景，但在微觀層次仍缺乏對器件性能與界面性質(zhì)關聯(lián)的清晰化認識，難以準確識別光電化學器件研究中的關鍵問題，從而理性地采取設計和優(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，揭示了界面能帶結構與光電器件特性的關系（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13664-13672）?；谇捌谔剿鳎@得高性能Schottky硅基光電極的關鍵是通過降低缺陷位點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-化學能轉(zhuǎn)化之間的關聯(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光陽極體系為模型，研究了不同特點異質(zhì)結界面對電荷分離傳輸性能、光電/光電化學性能的影響。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，顯著提高光電轉(zhuǎn)化效率；AlOX薄層的引入同時在n-Si導帶下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，導致約10%的光生電荷發(fā)生復合；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到0.75的創(chuàng)記錄值。這項研究工作說明界面電子結構在太陽能光電轉(zhuǎn)換領域的重要性，為光電極的理性設計提供了重要的科學依據(jù)。

相關成果近日發(fā)表在《美國化學會會志》（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基金、基金委“人工光合成”基礎科學中心、遼寧省重點研發(fā)計劃、中科院先導A、大連化物所創(chuàng)新基金等項目的資助。