96%趨近理論極限：SPS首次直接測量顆粒Z型全解水光催化劑光電壓

1 背景與問題

在太陽能燃料生產領域，顆粒狀光催化劑因其集成了光吸收和電催化組分，相比傳統的光電化學（PEC）電池或光伏電池，成本可降低一個數量級。特別是“第二代”Z型串聯光催化劑，理論極限效率高達28%，但現有系統的效率通常不超過1.1%。

造成這種巨大性能差距的核心原因在於表面複合、無效的電荷分離以及逆反應。然而，目前對於顆粒狀全解水（OWS）催化劑中的光化學電荷分離機製仍缺乏深入理解。傳統的光電化學測量受限於顆粒膜中巨大的電荷傳輸電阻，而瞬態吸收光譜雖然能提供動力學信息，卻無法直接提供決定光催化劑電功率輸出的光電壓信息。因此，科研界急需一種能夠無損探測顆粒內部電荷分布、直接測量光電壓的先進表征技術。

2 核心方案

本論文采用表面光電壓譜（SPS）技術，成功解決了上述難題。研究團隊利用非接觸式開爾文探針，測量了顆粒Z型串聯光催化劑薄膜在光照下的接觸電勢差（CPD）變化。

SPS技術的核心優勢在於：

(1) 直接測量光電壓：CPD的變化直接對應薄膜上產生的光電壓，反映了光催化劑分離電荷的能力；

(2) 確定能帶信息：光電壓的起始能量等於樣品的有效帶隙，光電壓的符號由多數載流子類型決定；

(3) 無損探測：無需液體電解液，避免了電化學測量的複雜性，直接在真空條件下解析界面電荷轉移。

圖1. (a)在真空條件下，氟摻雜氧化錫（FTO）基底上BiVO₄、SrTiO₃:Rh、Ru−SrTiO₃:Rh以及Ru−SrTiO₃:Rh/BiVO₄樣品薄膜的表面光電壓譜（SPS）數據。ΔCPD為接觸電勢差相對於暗態的變化量。當光子能量超過4.0 eV時，光電壓受氙燈光強衰減的限製。(b)中性pH = 7下FTO基底上串聯催化劑的能量圖。pH 7被選作參考點，因為其接近許多金屬氧化物的零電荷點，且中性水常用於光催化水分解實驗。紅色箭頭表示電子-空穴轉移。箭頭處的數值對應於各界面的最大理論光電壓V_th,max，該值由供體和受體的帶邊/費米能級決定。

3 實驗結果與分析

通過SPS技術，研究人員深入揭示了體系的電荷分離特性，獲得了關鍵的性能數據：

關鍵性能參數

深度機製解析

(1) 串聯工作驗證：SPS光譜顯示，串聯結構的光電壓是單一組分（）的兩倍以上，且沒有物理混合物中出現的獨立激發峰，證實了 和 之間形成了電學串聯；

(2) 耗盡層效應：研究發現光電壓隨光強增加呈現對數增長（斜率 -1.16 V/decade），遠超肖克利二極管方程的預測。這表明隨著光強增加， 顆粒內部形成了耗盡層，有效地將多數載流子與有害的表面態分離，從而大幅降了複合率；

(3) 缺陷態捕獲：通過光照關閉後的電壓恢複曲線，定量計算出約18%的電荷被深能級缺陷捕獲，這直接解釋了為什麼該體系在低光強下的量子效率較低。

圖2. (a) 固定光子能量2.85 eV時，不同光照強度下的光電壓。達到全光電壓63%所需的時間常數τ約為530秒。(b)光電壓與光強的曲線圖。插圖：開啟光周期後基線恢複情況（2.85 eV光，0.106 mW cm⁻²）。經過3500秒後，電壓仍保持在-0.152 V（最大值的18%）。（c）光電壓與光強對數的關系圖。低照度下偏差歸因於疊層結構中亞缺陷態的激發。

4 產品介紹

SteaPVC

表面光電壓譜儀

SteaPVC是一款相敏穩態表面光電流與光電壓光譜儀，用於研究半導體和光催化材料的界面電荷分離、表面態與缺陷響應。系統可測量光電流譜、光電壓譜和相位譜。適用於光催化、半導體、MOF、COF、界面工程和波長依賴電荷行為分析。表面態、能帶彎曲、界面電荷分離和埋藏界面正在成為光催化、半導體及疊層器件研究的重要問題。SteaPVC以相敏穩態SPV/SPS測量弱光電信號，並通過相位譜與波長掃描分析不同能量激發下的界面響應。

4.1 技術特點

(1) 基於相敏檢測技術測量超微弱穩態光電流和光電壓信號，適合界面與缺陷態研究；

(2) 支持光電流譜、光電壓譜與相位譜，可分析不同激勵波長下的電荷分離和傳輸響應；

(3) 波長覆蓋250-2500 nm，並支持單點、波長掃描及頻率掃描等多種測量模式；

(4) 頻率範圍1 Hz–100 kHz，相位測量準確度達到1°級；

(5) 配備可視化全自動進樣與位置調控系統，實現樣品裝載、定位和測量流程自動化；

(6) 波長掃描、頻率掃描和相位譜可共同分析表面態響應、載流子分離方向與界面傳輸速度差異。

4.2 產品優勢

(1) 相敏弱信號檢測與相位譜能力區別於常規表面光電壓儀的技術辨識度；

(2) 與TranPVC建立穩態/瞬態互補，可分別解析波長依賴響應和快速載流子動力學；

(3) 可視化自動進樣減少光斑位置與人工操作造成的測量偏差，提高弱信號重複性；

(4) 相敏弱信號、相位譜與寬波段SPV/SPS測量使其更適合界面電荷分離研究，而非僅做常規光電壓響應。

SPS首次直接測量顆粒Z型光催化劑光電壓，揭示了串聯結構倍增效應與耗盡層抑製複合的關鍵作用。東譜科技SteaPVC系統基於相敏檢測，電壓噪聲低至9 nV/√Hz，可測μV級SPV信號，波長覆蓋250-2500nm，支持光電壓/電流譜與相位譜。配合TranPVC 900的瞬態光電流/電壓測量，可全面表征載流子壽命與動力學。東譜科技為光催化界面電荷行為研究提供完整SPS測試方案。

原文參考：Surface Photovoltage Measurements on a Particle Tandem Photocatalyst for Overall Water Splitting