法拉第结的光电压记忆效应

清洁能源利用是实现我国"双碳目标"的重要途径，开发低成本规模化太阳能利用技术将会成为今后一段时期的重点研究领域。光伏电池可以将太阳能直接转化为电能，引起了研究人员广泛的关注。然而由于太阳能辐照受到昼夜阴雨等因素制约，使得光伏电池无法持续供应能源，将太阳能直接存储为化学能可以有效解决这一难题。近年来，罗文俊副教授提出法拉第结新概念（iScience 2020, 23, 100949; Nat. Commun. 2021, 12, 6363; Chem. Sci. 2020, 11, 6297; CCS Chem. 2021, 3, 1670），并发明了基于法拉第结的两端口太阳能充电器件，用于低成本太阳能存储（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 1390; J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 1802; 中国发明专利：202011039834.5; 202111132501.1）。然而，目前这种法拉第结太阳能充电器件依然面临界面电荷传输机制不清、器件性能不高以及体积太大等问题，限制了其实际应用。

针对这些关键问题，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、现代工学院、物理学院的罗文俊副教授/邹志刚院士团队与南京工业大学孙庚志教授合作，以n-Si/CoOx作为光电极和MnOx作为对电极构筑了两端口法拉第结太阳能充电器件，发现该器件的暗态输出电压可以精确记录光生电压，具有光电压记忆效应的特性。与之相反，商业Si光伏电池只在光照时产生光电压，关光后无暗态输出电压（图1）。该团队还采用计时开路电位法实时监测光电极和对电极的电位，研究了光电压记忆效应产生的原因。结果表明在光照下Si光电极中的电子与空穴准费米能级位置分别被MnOx和CoOx通过法拉第反应记录下来，且这两种材料都具有高的赝电容，使得关光后光充电电位仍然可以保持（图2）。这种光电压记忆效应可以使界面能量损失最小化，导致光充电器件具有更高的性能。此外，该团队采用半透明对电极代替不透明电极，使器件体积显著减小，实现了便携式高能量存储密度的太阳能充电器件（图3）。该研究发现的光电压记忆效应不仅在太阳能充电器件中有重要的应用，还可能用于理解和模拟人眼中的视觉暂留现象，罗文俊副教授领导的法拉第结材料与器件课题组正在开展相关研究。

图1. p-n结中的光伏效应与法拉第结中光电压记忆效应对比。

图2. 光伏效应（a）与光电压记忆效应（b）的工作原理。

图3. 光电压记忆效应对太阳能充电器件性能的影响（a,b）以及便携式器件照片（c, d）。

该成果以Photovoltage Memory Effect in a Portable Faradaic Junction Solar Rechargeable Device为题发表在Nature Communications上。南京大学物理学院2017级博士生王品为该论文第一作者，通讯作者为罗文俊副教授。该研究工作得到了邹志刚院士的指导和支持，以及国家自然科学基金（21875105）和国家重点研发计划（2017YFE0120700）等项目的资助。（来源：南京大学）