鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率高歌猛進(jìn)大幅度增長至24%

鈣鈦礦太陽能電池自2009年問世以來，轉(zhuǎn)換效率高歌猛進(jìn)，在短短十年之間已經(jīng)由最初的3%大幅度增長至24%。不過學(xué)界對(duì)材料的一些基礎(chǔ)問題，仍然爭(zhēng)論不休，如有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦的鐵電極性及其光伏關(guān)聯(lián)等。

在上周五上線的一篇Advanced Materials論文中，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、浙江大學(xué)、和石家莊鐵道大學(xué)的研究小組，利用先進(jìn)的原子力顯微方法，對(duì)這一問題在納米尺度做了新的解讀。

一些人可能認(rèn)為有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦的鐵電極性只是一個(gè)純學(xué)術(shù)問題，與太陽能電池的性能并沒有太大的關(guān)系。但早期的一些計(jì)算表明，鐵電性所引起的退極化電場(chǎng)，有助于其光生載流子的分離，甚至可以在鐵電疇界形成高速的載流子傳輸通道，引起了不少人的興趣。而后來所發(fā)現(xiàn)的光伏JV曲線遲滯現(xiàn)象，也讓人聯(lián)想到鐵電遲滯，提出光伏遲滯源自鐵電遲滯。但在隨后幾年，雜化鈣鈦礦的鐵電極化一直缺乏實(shí)錘證據(jù)，而Snaith等人2015年在APL發(fā)表論文更顯示，電池的光伏遲滯主要是由離子遷移所引起的。因此對(duì)于雜化鈣鈦礦鐵電性的關(guān)注度有所降低。

不過Snaith的論文雖然清晰表明在其所研究的材料體系中，光伏遲滯源于離子遷移，但他們的數(shù)據(jù)表明在該體系之中并不存在鐵電極化。而最近的幾篇文章也表明鐵電極性在某些雜化鈣鈦礦體系中是存在的，取決于材料的成分和工藝。如中科院深圳先進(jìn)院和石家莊鐵道大學(xué)等院校此前在npj Quantum Materials所發(fā)表的論文，就通過原子力顯微成像清晰顯示，在單晶雜化鈣鈦礦中，極性與非極性疇交替共存，而且極性疇所對(duì)應(yīng)的光電流更低。此后在Nature Communications和Science Advances所發(fā)表的幾篇論文，也給出了雜化鈣鈦礦鐵電極性的更多證據(jù)。因此很自然的一個(gè)問題就是，在存在鐵電極性的時(shí)候，光伏遲滯是不是會(huì)增加了？

為回答這一問題，研究組采取三元鈣鈦礦體系作為研究對(duì)象，主要基于兩方面考慮。一是該體系光伏效率高，而遲滯較低；二是針對(duì)三元體系的鐵電極性研究還沒有報(bào)道。為建立局域尺度鐵電極性、離子遷移、和光伏遲滯的可能關(guān)聯(lián)，研究組采取中科院深圳先進(jìn)院所發(fā)展的非線性原子力顯微方法，通過一倍頻和二倍頻的力電耦合效應(yīng)對(duì)比，分辨鐵電極化和離子遷移的相對(duì)貢獻(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)在光照下，一倍頻響應(yīng)顯著增加，相應(yīng)的品質(zhì)因子有所增強(qiáng)，而共振頻率略有降低，顯示光致鐵電極化增強(qiáng)效應(yīng)。而所對(duì)應(yīng)的二倍頻響應(yīng)沒有顯著改變，顯示光照并未引起顯著的離子遷移。

為揭示極化增強(qiáng)的可能影響，研究組進(jìn)一步發(fā)展局域光電流顯微方法，在一系列偏壓之下成像光電流分布，并通過主成分分析重構(gòu)納米尺度局域的JV曲線，發(fā)現(xiàn)遲滯很低 ，顯示即使在存在鐵電極性的情況下，鐵電極化對(duì)光伏遲滯仍然沒有大的影響。這一納米尺度的局域關(guān)聯(lián)，也被宏觀器件測(cè)試所證實(shí)。因此，這一研究表明我們可以通過鐵電極化的設(shè)計(jì)，提升其光生載流子分離效率，而不必?fù)?dān)心其對(duì)光伏遲滯的不利影響。

這一研究進(jìn)一步顯示了離子運(yùn)動(dòng)是影響鈣鈦礦太陽能電池性能的關(guān)鍵因素，對(duì)光伏遲滯和電池穩(wěn)定性都有重要的影響。在此前的一篇Nature Communications論文中，研究組與北京大學(xué)電鏡中心合作，揭示了雜化鈣鈦礦退化降解為PbI2的原子尺度路徑。特別值得一提的是，他們發(fā)現(xiàn)降解過程中缺陷有序超結(jié)構(gòu)的存在。能否穩(wěn)定該超結(jié)構(gòu)，可能是提升電池穩(wěn)定性的關(guān)鍵。而超結(jié)構(gòu)本身，也可能帶來一些新穎有趣的性能。相關(guān)研究，正在進(jìn)行中。