1、背景介绍：

光电子器件是目前信息化时代不可或缺的元件基础，其性能依赖于半导体光电极中光生载流子的高效生成和收集。然而，对于大多数金属氧化物半导体，由于受到极化子跃迁模式导致的低电荷迁移率的限制，光生载流子收集率低下。因此，从物理本质上研究载流子的空间分布，确定影响性能的关键因素，进而根据多场耦合原理，探究光电子特性并对载流子进行动力学调控，是目前急需解决的关键科学问题。

2、全文速览：

近日，兰州大学张泽民青年研究员联合席聘贤教授和西北工业大学-冯晴亮教授在Nano Energy 上发表了题为“Boosting photocarrier collection in semiconductors by synergizing photothermoelectric and photoelectric”的研究论文。该论文针对氧化物光电子器件中载流子生成和收集的问题，构建了载流子空间分布的物理模型并对其光电性能进行预测，提出光-热-电多场耦合机制，利用光热生成的温差电势调控载流子输运特性。该工作提供了一种通过多场耦合在无偏压辅助下调节半导体薄膜中载流子动力学的方法，可广泛应用于其他光电系统。本工作是该课题组在高通量数据驱动电荷传输层定制（Adv. Funct. Mater. 2020, 2000948；Chem. Mater. 2021, 33, 7829−7838）、截面电荷输运的显微成像研究（Adv. Optical Mater. 2022, 10, 2201247）、全局电场构建（Applied Catalysis B: Environmental, 304 (2022) 120980；ACS Energy Lett. 2022, 7, 3492−3499）等研究基础上的新突破。

3、图文解析：

载流子空间分布的数学模型表明：半导体薄膜正面光照时，光生载流子主要分布在位于表面50-100 nm的区域内；而背面光照下则分布在整个区域，表面浓度相对较低，意味着正面光电流随薄膜厚度上升先增强后饱和，而背面光电流随厚度上升持续下降。试验结果验证了理论预测的可靠性，表明较短的载流子扩散距离（34 nm）是限制性能的根本原因。

图1. 薄膜半导体中光生载流子的空间分布模型及其实验验证

通过将热电-光电功能层有机结合，构建具有多场耦合效应的复合功能薄膜。吸收光谱显示热电-光电复合薄膜能够充分吸收可见光和近红外光子，从而在产生光电子的同时生成声子，在样品上下面产生温度梯度，进而驱动热电功能层产生温差电势，调控光电薄膜性能。载流子动力学分析，包括温差驱动的载流子收集效率分析、瞬态吸收光谱分析表明温差电势能够打破外加辅助电压的限制，加速载流子分离，抑制复合、延长载流子寿命，最终提升光电极性能。

图2. 光-热-电多场耦合机制及其载流子动力学分析

4、课题组介绍

张泽民，6163银河net163am青年研究员，兰州大学-劳伦斯伯克利国家实验室人工光合成联合研究中心（JCAP）联合培养博士。研究方向为太阳能光电能源转化、二维光电探测器。以第一/通讯作者在Adv. Funt. Mater., ACS Energy Letters, Nano Energy, Materials Horizons, Appl Catal. B-Environ, Small 等SCI期刊上发表论文50余篇。主持国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金、科技部重点研发计划子课题、中科院技术开发等项目。课题组擅长纳米级空间分辨的光电压、电流成像，稳态、瞬态光电压谱（SPV），瞬态光电流（TPC），瞬态吸收光谱（透射、反射模式）（TA），载流子空间收集率（SCE）的计算光学模型等。

课题组主页https://physz.lzu.edu.cn/system/phyqt/content.jsp?id=333