体光伏（BPV）效应是一种罕见现象，可使某些材料的性能超越太阳能电池中传统p-n结的性能。日本的研究人员最近取得了重大突破，首次在实验上证实了α相硒化铟（α-In2Se3）沿面外方向存在BPV效应，与先前的理论预测一致。其α-In2Se3器件实现的出色转换效率标志着下一代太阳能电池技术和光电传感器取得了重大进展。

对光电效应有深刻的理解是太阳能电池设计和开发的核心，光电效应能将光转化为可利用的电能。如今，大多数太阳能电池采用p-n结，利用不同材料界面发生的光电效应。然而，此类设计受到肖克利-奎伊瑟极限（Shockley-Queisser limit）的限制，该极限为太阳能电池的理论最大光电转换效率设定了硬性上限，并使得通过光电效应产生的电压和电流之间存在权衡关系。

探索晶体材料中的BPV效应

然而，某些晶体材料表现出一种引人入胜的现象，即体光伏（Bulk Photovoltaic，BPV）效应。在缺乏内部对称性的材料中，光激发的电子可以在特定方向上相干移动，而不是回到其原始位置。这导致了所谓的“位移电流”的产生，进而产生BPV效应。尽管专家预测α相硒化铟（α-In₂Se₃）可能是展示这一现象的候选材料，但尚未对其进行实验研究。

为了填补这一知识空白，日本的一个研究小组（由信州大学副教授Noriyuki Urakami领导）开始探索α-In2Se3中的BPV效应。他们的研究成果最近发表在《应用物理快报》上。

“这种材料最近已成为凝聚态物理领域的一个热门话题，因为它可能会产生位移电流。我们的研究是首个从实验上证明这一预测的研究，”宇佐美教授说道。

α-In2Se3层叠器件

首先，研究人员制造了一个分层器件，该器件由一个位于两层透明石墨层之间的薄α-In2Se3层组成。这两层石墨层作为电极，与电压源和电流表相连，以测量光照射时产生的任何电流。值得注意的是，研究团队采用这种特定的层排列方式，是因为他们重点关注α-In2Se3层中沿面外方向产生的位移电流。

在测试了不同的外部电压和各种频率的入射光后，研究人员验证了面外方向存在位移电流，证实了上述预测。BPV效应出现在广泛的光频范围内。

最重要的是，研究人员评估了α-In2Se3中光伏压电效应（BPV）的潜力，并将其与其他材料中的该效应进行了比较。宇佐见教授评论道：“我们的α-In2Se3器件的量子效率比其他铁电材料高出几个数量级，与经过电极化增强的低维材料不相上下。”他进一步补充道：“这一发现将为近期功能性光伏器件的开发提供选材指导。”

研究团队希望，他们的工作能为可再生能源发电领域做出贡献，并最终对环境产生积极影响。仓上教授满怀希望地总结道：“我们的发现有可能进一步加速太阳能电池的传播，太阳能电池是环境能量收集的关键技术之一，也是实现碳中和社会的有前景的途径。”

我们希望本研究能为进一步利用光拍效应、大幅提高太阳能电池性能以及优化高灵敏度光电探测器的设计铺平道路。

参考文献：2024年8月14日，Noriyuki Urakami、Sho Ozaki和Yoshio Hashimoto在《应用物理快报》上发表的“α相硒化铟（α-In2Se3）晶体沿面外方向的体光伏效应”。DOI：10.1063/5.0222926