近日，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、姚婷婷副研究员等人在光电催化分解水研究方面取得重要进展。该工作以单晶硅光电极为模型，识别了金属 - 氧化物 - 半导体（MOS）结构光阳极中制约其性能的关键界面因素，并针对性地引入相关界面调控策略，有效地促进了光生电荷分离提取和利用效率，实现了对光电转化器件的理性设计和优化。

自工业革命以来，能源与环境问题一直是制约人类社会可持续发展的全球性焦点，尤其是近年来，极端气候及新型病毒产生的影响尤为明显。我国也提出了 " 碳达峰，碳中和 " 的绿色发展战略及系列政策，以绿色能源为主体的能源结构构建迫在眉睫。通过清洁可再生的太阳能驱动水分解制氢是提供绿氢的有效途径之一，其中光生电荷的有效分离传输与转化利用，是决定太阳能到氢能转化效率的关键环节。

硅材料具有宽光谱捕光能力、优异的载流子迁移率和高达微米 - 毫米级的扩散长度，被广泛应用于光电转换领域，已具备成熟的工业产业链。基于硅基材料的光电极研究在近些年也取得了一定的进展，通过引入不同的表 / 界面薄层修饰材料来实现光电极转化效率的提升和稳定性的改善，展示出了一定的应用前景，但在微观层次仍缺乏对器件性能与界面性质关联的清晰化认识，难以准确识别光电化学器件研究中的关键问题，从而理性地采取设计和优化策略。

在前期研究中，作者以硅基光电极为模型体系，发现了 n-Si/ITO 肖特基光电器件的界面类施主态缺陷抑制光生电荷的分离和传输，揭示了界面能带结构与光电器件特性的关系（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13664-13672）。基于前期探索，获得高性能 Schottky 硅基光电极的关键是通过降低缺陷位点浓度来减小提取电荷过程中的损失，这需要明确电极界面性质和光 - 电 - 化学能转化之间的关联，从而可以采取有针对性的优化策略。

图 1. （a）电极结构示意图，（b）固态器件电容 - 电压曲线，（c）电荷分离效率、时间常数、以及累积电荷量随偏压的变化，（d）能带结构示意图。

在前期工作基础上，本工作以 n-Si/oxide ( MOX ) /Ni 光阳极体系为模型，研究了不同特点异质结界面对电荷分离传输性能、光电 / 光电化学性能的影响。通过原子层沉积可控制备氧化铝 ( AlOX ) 薄层，可以有效地消除 n-Si/Ni 中的界面钉扎，形成具有较高势垒和内建电场的 MOS 异质结，显著提高光电转化效率；AlOX 薄层的引入同时在 n-Si 导带下 0.59 eV 处产生类施主态深缺陷，其能够在反向偏压下发生离子化，导致约 10% 的光生电荷发生复合；通过 AlOX 与薄层 Au 的相互作用可消除这种深缺陷，从而使得光生电荷的分离提取达到最大化。最终，获得的 n-Si/SiOX/AlOX/Au/Ni/NiFeOX 光阳极的填充因子达到 0.75 的创记录值。这项研究工作说明界面电子结构在太阳能光电转换领域的重要性，为光电极的理性设计提供了重要的科学依据。

图 2. （a）光电分解水性能及电极偏压辅助光电转化效率。（b）稳定性曲线及填充因子。

相关成果近日发表在《美国化学会会志》（J. Am. Chem. Soc.）上，该工作的第一作者是博士生马江平，通讯作者是李灿院士和姚婷婷副研究员。该工作得到国家自然科学基金、基金委 " 人工光合成 " 基础科学中心、辽宁省重点研发计划、中科院先导 A、大连化物所创新基金等项目的资助。