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《Science Advances》发表袁永波教授关于杂化钙钛矿反常光伏现象的最新研究成果
2017-03-20     作者:      来源:       浏览次数:740

近日,中南大学特聘教授袁永波(第十二批“青年千人计划”入选者)与美国内布拉斯加大学林肯分校黄劲松团队合作,首次证实横向有机/无机杂化钙钛矿太阳电池中的反常光伏现象(Anomalous Photovoltaic Effect, APV),相关研究成果于2017年3月在《Science Advances》作为Research Article正式发表。

近年来,基于有机/无机杂化钙钛矿材料的薄膜太阳电池正在光伏领域掀起一场技术变革。钙钛矿太阳电池具有卓越的发电能力,其能量转换效率经过短短7年研发就已超过22%。此外,在进一步推高电池效率的同时,研究人员对杂化钙钛矿材料内在特性的理解也逐步深入,基于杂化钙钛矿的其它光电器件也相继被开发,如钙钛矿光电探测器、钙钛矿发光二极管、钙钛矿忆阻器、钙钛矿激光器等,研究前景十分广阔。

基于常规光伏效应的太阳电池,其最大光生电压受限于所用半导体材料的禁带宽度,而APV效应可使太阳电池的输出电压远超过材料禁带宽度,具有独特应用潜力。APV效应在过去几十年一直深受研发人员关注,可产生于铁电材料和某些多晶材料中,分别对应不同的产生机制。目前两类APV现象的产生根源各自存在不同解释,但多缺乏实验证据,在微观层面深入理解APV现象的形成机理具有重要意义,是相关研究的重点之一。袁永波教授率先在MAPbBr3、MAPbI3、CsPbBr3等钙钛矿材料中观察到APV现象,并在研究中仔细排除了铁电机制的影响(杂化钙钛矿材料是否存在铁电性或光照铁电性仍是当前研究前沿之一)。通过实验设计,袁永波教授证实钙钛矿材料中可移动离子在晶界处的聚集可导致局部隧穿结(tunneling junction)的形成,而在多晶薄膜中离散分布的局部隧穿结可使得光生电压能在微米以上尺度进行累积,形成远超过禁带宽度、大小可连续调节的光生电压(如图)。本次发现为APV现象的解释提供了一个经过实验验证的机理模型。

此外,本次发现进一步展示了离子移动现象对钙钛矿薄膜光电特性的调控潜力,对新型光电器件设计与开发具有重要意义。袁永波教授前期参与的研究首次证实了钙钛矿材料中存在显著离子移动现象。杂化钙钛矿中的可移动离子能在外界电场刺激下发生重新分布,进而调节薄膜自身电学特性。离子移动现象的发现加深了人们对钙钛矿材料的理解,不但很好地解释了光电流迟滞现象,而且被证明与钙钛矿薄膜的光致巨介电常数现象、光致器件自极化现象、光致相分离等奇特现象密切相关。此次,袁永波教授及黄劲松团队观察到的离子移动诱导APV现象是继其前期成果的又一深入发现。

《Science Advances》属于美国科学促进会(AAAS)的综合类开放期刊,其上所出版文章需通过严格审稿环节,是《Science》的子期刊。袁永波教授为该文章第一作者,研究中得到了中南大学第四批“创新驱动计划”项目(2016CXS002)的支持。文章信息:Y. Yuan et al.,Anomalous photovoltaic effect in organic-inorganichybrid perovskite solar cells, Science Advances, 3, e1602164 (2017)


图1.具有反常光伏现象的杂化钙钛矿太阳电池中光生电压与预处理电场、电极间距之间的关系(上),晶界处的离子积累导致的隧穿结及其在多晶钙钛矿薄膜中的离散分布示意图(下)


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