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半导体缺陷对钙钛矿性能影响到底有多大?

发布时间:2020-11-20

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1. 简介

根据发表在《自然通讯》上的研究,如果减少以前认为与性能无关的缺陷,可以改善有前途的半导体材料 。伦斯勒理工学院和其他大学的一组研究人员表明,特定的半导体缺陷会影响钙钛矿卤化物保持电子形式的光能的能力。

2. 如何影响钙钛矿卤化物性能

分析图中垂直凸脊所具有的钙钛矿晶体上的绿色照明点

图1  通过分析图中垂直凸脊所具有的钙钛矿晶体上的绿色照明点,可以评估电子的寿命

图片提供:伦斯勒理工学院

材料科学工程副教授Jian Shi表示:半导体中的缺陷可能是好事,也可能是坏事。” “由于某些原因,人们没有关注卤化钙钛矿中的位错,但我们证明了这种缺陷是卤化钙钛矿中的一个问题。

在过去的十年中,对卤化钙钛矿的研究已将材料的效率从大约3%的光能转换为电能迅速提高到25%(相当于蕞仙进的硅太阳能电池)。研究人员与硅搏斗了数十年,以达到该材料目前的效率水平。

钙钛矿卤化物还具有良好的载流子动力学,其粗略定义为材料吸收的光能以激发电子的形式保留的时间长度。为了为太阳能转换提供良好的前景,材料中的电子必须保留足够长的能量,以被附着在材料上的电极收集,从而完成光到电能的转换。

长期以来,这种材料一直被认为是“耐缺陷的”,这意味着诸如原子缺失,晶体晶粒上的次品键之类的缺陷以及称为晶体学错位的错配对效率没有太大影响。蕞近的研究对这种假设提出了质疑,并发现某些缺陷确实会影响晶体性能的各个方面。

Shi的团队测试了晶体位错的缺陷是否会通过在两种不同基板上生长晶体来影响载流子动力学。一种基材在沉积时与卤化钙钛矿具有很强的相互作用,从而产生更高的位错密度。另一个具有较弱的相互作用并且产生较低的位错密度。

钙钛矿光电器件的性能

图2  钙钛矿光电器件的性能

结果表明,位错对卤化物钙钛矿的载流子动力学产生负面影响。发现将位错密度降低一个以上数量级可导致电子寿命增加四倍。

3. 结论

“结论是卤化钙钛矿具有与常规半导体缺陷类似的位错效应,” Shi表示。我们需要注意钙钛矿卤化物中的位错,这是人们在研究这种材料时一直忽略的一个因素。

Shi在卤化物钙钛矿上的蕞后一项重要工作揭示了压力对这种半导体的光学性质的作用,该物质在2018年《科学进展》上发表。

在伦斯勒(Rensselaer),材料科学与工程系和物理,应用物理与天文学系的研究人员加入了这个团队。昆明科技大学,清华大学,北京科技大学,Forschungszentrum Julich和布朗大学的研究人员也为这项研究做出了贡献。

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