Advanced Materials：交流电光伏效应诞生

【成果简介】

光伏效应已经成为人们生产生活中的重要能量来源之一。光生电的效应早在1883年就被发现，爱因斯坦也因光电效应定律的发现获得诺贝尔物理学奖。而目前已发现的所有形式的光电效应（包括Dember 效应，PN结光伏效应，Becquerel 效应等）都是直流电，这给电力并网及运输，日常的家电的供能等等都制造了不少麻烦。在佐治亚理工学院王中林院士的指导下，邹海洋博士等发现了另一种新型光伏效应——当照明光周期性地照射在接合点/界面处时，它会在非平衡状态下产生交流电（AC）。没错！光可以产生交流电！这一发现彻底颠覆了对传统光电机制的认识，引入了对光电非平衡态的探索。相关成果发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。

这项研究发现将变化的非平衡光照在不加外电压的p-Si/TiO₂ 纳米薄膜异质结上时，器件产生了较强的交流电信号。作者发现这个交流信号与光强（图1），材料的光吸收（图2），光照面积等都有很强的关联。并且，有意思的是，电流信号与频率相关，而电压信号与频率无明显关系，不符合电阻导电模式下的欧姆定律，而是遵循电容导电模型（Capacitive conduction model）（图1）。文中又采用了多个不同结构的器件（图2）以及商业硅基太阳能板实验，也采用不同的测试手段进行分析，都产生了这种交流电信号。这些结果表明这是一个新的现象，而非来自“奇怪的电磁波”，“外界噪音”，或者“测量仪器内部信号”，而是与光照密切相关的效应。交流电信号的线性叠加原理也进一步验证了这个信号来自器件内部而非外界环境。

【图文介绍】

图1. 交流光伏效应的测试。

图2. 交流光伏效应的普适性研究。

文中指出这种新型交流电模式不能用常规光伏器件的既定机制来解释，现已知的光电效应的多种效应都是直流电，无法解释这个交流电信号。该文对机理进行了深入实验和分析，认为产生该现象的原因是由于在非平衡条件下与结/界面相邻的半导体产生过剩载流子，造成准费米能级之间的相对偏移，电子分布失衡，这导致了电子前后在外部电路中流动以建立新的平衡来平衡电极之间的电位差。

作者也对交流光伏效应的应用作了详细演示（图3）。交流光伏效应可以使得普通的器件就能作为高性能宽带光电探测器，在零偏置下具有极高的灵敏度，无需复杂加工。同时，它还可以作为远程电源提供相比于传统的光伏效应更高的瞬时功率输出。该文报道了，简单合成的p-Si/TiO₂的器件利用这一效应能够在零偏置下具有极高的灵敏度对广域的光都有极高的灵敏度（2.09 ），比通常的pn光伏效应高2051倍，并且有很快的相应速度（ ≈20μs ）。并且，通过这一效应，商业化的硅太阳能电池在测试的条件下，相比于传统的pn光伏效应，也能提高其11.2倍的输出功率，而这提高的能量来自于产生非平衡态的机械能。也就是说，交流光伏效应提供了一种新的能量转换方式，将机械能转换为电能。这一新的能量转换方式的发现可能将产生革命性的影响。

图3. 交流光伏效应的应用。

文章第一作者邹海洋博士，佐治亚理工大学王中林院士为通讯作者。

【论文地址】

该成果文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.201907249 。

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