Advanced Materials：交流電光伏效應誕生

【成果簡介】

光伏效應已經成為人們生產生活中的重要能量來源之一。光生電的效應早在1883年就被發現，愛因斯坦也因光電效應定律的發現獲得諾貝爾物理學獎。而目前已發現的所有形式的光電效應（包括Dember 效應，PN結光伏效應，Becquerel 效應等）都是直流電，這給電力并網及運輸，日常的家電的供能等等都制造了不少麻煩。在佐治亞理工學院王中林院士的指導下，鄒海洋博士等發現了另一種新型光伏效應——當照明光周期性地照射在接合點/界面處時，它會在非平衡狀態下產生交流電（AC）。沒錯！光可以產生交流電！這一發現徹底顛覆了對傳統光電機制的認識，引入了對光電非平衡態的探索。相關成果發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。

這項研究發現將變化的非平衡光照在不加外電壓的p-Si/TiO₂ 納米薄膜異質結上時，器件產生了較強的交流電信號。作者發現這個交流信號與光強（圖1），材料的光吸收（圖2），光照面積等都有很強的關聯。并且，有意思的是，電流信號與頻率相關，而電壓信號與頻率無明顯關系，不符合電阻導電模式下的歐姆定律，而是遵循電容導電模型（Capacitive conduction model）（圖1）。文中又采用了多個不同結構的器件（圖2）以及商業硅基太陽能板實驗，也采用不同的測試手段進行分析，都產生了這種交流電信號。這些結果表明這是一個新的現象，而非來自“奇怪的電磁波”，“外界噪音”，或者“測量儀器內部信號”，而是與光照密切相關的效應。交流電信號的線性疊加原理也進一步驗證了這個信號來自器件內部而非外界環境。

【圖文介紹】

圖1. 交流光伏效應的測試。

圖2. 交流光伏效應的普適性研究。

文中指出這種新型交流電模式不能用常規光伏器件的既定機制來解釋，現已知的光電效應的多種效應都是直流電，無法解釋這個交流電信號。該文對機理進行了深入實驗和分析，認為產生該現象的原因是由于在非平衡條件下與結/界面相鄰的半導體產生過剩載流子，造成準費米能級之間的相對偏移，電子分布失衡，這導致了電子前后在外部電路中流動以建立新的平衡來平衡電極之間的電位差。

作者也對交流光伏效應的應用作了詳細演示（圖3）。交流光伏效應可以使得普通的器件就能作為高性能寬帶光電探測器，在零偏置下具有極高的靈敏度，無需復雜加工。同時，它還可以作為遠程電源提供相比于傳統的光伏效應更高的瞬時功率輸出。該文報道了，簡單合成的p-Si/TiO₂的器件利用這一效應能夠在零偏置下具有極高的靈敏度對廣域的光都有極高的靈敏度（2.09 ），比通常的pn光伏效應高2051倍，并且有很快的相應速度（ ≈20μs?）。并且，通過這一效應，商業化的硅太陽能電池在測試的條件下，相比于傳統的pn光伏效應，也能提高其11.2倍的輸出功率，而這提高的能量來自于產生非平衡態的機械能。也就是說，交流光伏效應提供了一種新的能量轉換方式，將機械能轉換為電能。這一新的能量轉換方式的發現可能將產生革命性的影響。

圖3. 交流光伏效應的應用。

文章第一作者鄒海洋博士，佐治亞理工大學王中林院士為通訊作者。

【論文地址】

該成果文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201907249 。

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