（1）量子几何移位电流高效体光伏效应
太阳能光伏技术能将光能转化为电能，传统方法是基于p-n结的光伏电池，依靠界面处内建电场分离光生电子-空穴对。这种机制从根本上决定了光电转换效率无法超越热力学定律相关的肖克利-奎伊瑟极限（Shockley–Queisser limit）。相比之下，体光伏效应作为一种新兴的太阳能捕获技术，可以为突破肖克利-奎伊瑟极限另辟蹊径。
体光伏效应主要源于非中心对称材料中光诱导带间激发产生的量子几何移位电流(shift current)。此效应无需异质结界面，能产生高于带隙的稳定光电压。目前，已有多种策略在高对称性低维材料中实现了本征光伏效应，显著提高了短路电流密度。这些方法包括界面设计、几何工程以及应变工程。
通过降低晶体对称性，可以将体光伏效应从对称性破缺材料扩展到广泛的中心对称材料。尽管这些研究实现了较大的短路电流密度，但由于高电导率，开路电压仍处于很低的水平。这种不平衡导致了较低的光电转换效率。为了提高体光伏的开路电压，极化可调的铁电材料是适用的，然而，已报道的铁电材料具有较大的带隙和低导电性，导致了极小的短路电流。
图1. (a) 高效率体光伏材料筛选和调控方法；(b-d) NbOBr2铁电材料表征；(e) NbOBr2体光伏器件示意图。
为解决体光伏效应开路电压和短路电流难以协同提升的难题，研究团队通过理论分析和实验证据相结合，确定了一类能对开路电压和短路电流密度实现协同优化的铁电体光伏材料，并通过铁电极化对移位电流的调控，显著提升了光伏转换效率。
以NbOBr2为例，团队构建了一个二维平面器件，表现出量子几何移位电流为主导的体光伏效应。在自发极化状态下，该器件在所有铁电材料中展示出创纪录的高短路电流密度。进一步，通过极化调控的NbOBr2能够显著增强开路电压和短路电流密度，将光伏转换效率大幅提高四到五个数量级（1.25%），是目前最先进的体光伏器件效率的四倍。
图2 通过铁电极化调控shift current，显著增强NbOBr2体光伏效率。
与结型光伏器件相比，由shift current主导的体光伏器件不仅受到光伏材料能带结构的影响，还取决于布洛赫波函数和极化状态。本研究还通过密度泛函理论探究了铌氧卤化物家族中shift current的起源。结果表明在NbOBr2中，从深价带激发的对称允许跃迁比从浅价带激发的更为显著。该研究为筛选和发展更高效率的体光伏器件与应用提供了极具前景的解决方案。
图3. 铌氧卤化物家族shift current的起源。
2025年11月7日，该成果以“High-efficiency bulk photovoltaic effect with ferroelectric-increased shift current”为题发表于《Nature Communications》。浙江大学量子物态与器件研究中心、物理学院为第一单位，浙江大学物理学院和杭州国际科创中心联合培养博士后冯璞与天津师范大学龚志浩为共同第一作者，通讯作者是浙江大学物理学院薛飞研究员、汪华研究员和杭州国际科创中心韩勋研究员。该工作得到国家自然科学基金项目的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64807-y
（2）光子存储
在“摩尔定律”逼近极限、“冯·诺依曼瓶颈”日益凸显的今天，人工智能对算力的需求却呈指数级增长——传统计算模式已难以为继，“类脑计算”正成为破局关键。
而在这场计算革命中，能“记忆”会“思考”的忆阻器（Memristor），被视为未来芯片的基石。现有光子忆阻器却像戴了“墨镜”：要么只能“看”到紫外或近红外单一波段（“色盲”限制），要么只能以固定模式工作（“单线程”局限），难以支撑复杂场景下的“感知-存储-计算”一体化需求。
图4. 光子存储集成电路示意图。
现有器件通常展现实现窄谱响应范围，并以单一模式（如非易失性）操作，限制了其在复杂计算场景中的应用。此外，传统制备方法面临规模小、均匀性差、温度高等痛点，无法与成熟的硅基半导体工艺兼容，导致难以大规模产业化。
为破解这一难题，研究团队提出基于晶圆级六方氮化硼（hBN）/硅（Si）异质结构的光子忆阻器阵列。第一作者陈茂林博士创新采用低温（250°C）原位等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，在硅基衬底上直接生长出大面积、高均匀性的hBN薄膜，实现从紫外到近红外的超宽光谱响应，并通过调节激光功率在三种模式间切换，成功解决了传统制备中的痛点。这一突破让器件能与成熟的硅基半导体工艺（CMOS）完美兼容，为未来集成到手机、摄像头等终端设备埋下了关键伏笔。
图5 超宽光谱的光子存储。
2025年7月31日，该成果以“Ultrawide-bandwidth boron nitride photonic memristors”为题发表于《Nature Nanotechnology》，并受到该杂志的亮点报道(https://www.nature.com/articles/s41565-025-02004-0)。浙江大学量子物态与器件研究中心、物理学院为通讯单位，通讯作者是浙江大学物理学院薛飞研究员和沙特阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01991-4
