卤素钙钛矿的近红外响应及其电荷的收集

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cell，PSC）是世界前沿研究课题，其超强的光电物理化学性质引起了广泛关注，在2013年被《科学》期刊纳入年度“十大科学突破”。这种材料为一类卤素钙钛矿构成ABX₃的钙钛矿结构（A =Cs⁺, CH₃NH₃⁺(MA⁺) 或者 NH=HCNH₃⁺(FA⁺); B = Pb, Sn; X = Cl^¯, Br^¯, 或者I^¯），通过简单的溶液加工能都得到质量较好的薄膜，且其晶格缺陷对材料性质影响较小，目前来说对于其缺陷态研究偏少。

众所周知，红外波段占据了太阳能光谱中近二分之一的能量，而MAPbI₃钙钛矿材料的带边为800 nm左右，所以进一步发掘其近红外响应，研究其对光电转换以提高太阳能电池效率有着特别重要的意义。近日，香港中文大学的严克友教授（点击查看介绍）和许建斌教授、香港理工大学的柴扬教授和香港科技大学的杨世和教授等人系统研究了钙钛矿的缺陷，发现其较厚的薄膜（~1 μm）具有较强的近红外光电响应，并利用碳基无空穴PSC（C-PSC）结构，发现能够收集到比传统p-i-n PSC更大的光电流。

研究团队表示，其实在之前的薄膜吸收光谱测试中，就发现了在红外光的微弱吸收现象。但相对于其可见光波段的强吸收，并没有关注到红外光响应及其对光电流的贡献。研究团队通过拓宽测试范围（300-3000 nm）（图A）并增加膜的厚度（~1 μm）以放大红外吸收，并制备导体模式的光探测器件，测试C-PSC中的红外光伏，确定了其对近红外光的响应（图A）。研究团队设计C-PSC的器件，由于钙钛矿本身带边有效态密度低（10¹⁸ cm^-3），所以即使重掺杂其缺陷浓度低，故其充当弱P型材料（载流子浓度为p^-<10¹⁶ cm⁻³），和N型纳米二氧化钛（载流子浓度N>10¹⁸ cm⁻³）组成器件后，形成了p^-N单边结。根据载流子浓度与耗尽层宽度（x_p, x_n）的关系（p^- x_p=N x_n），二氧化钛的耗尽区宽度x_n<5 nm（图B）。该宽度为量子隧穿的临界范围，在弱P型钙钛矿中的缺陷态电子，可以部分通过隧穿的方式进入到TiO₂中得到分离（图C）。而传统p-i-n器件中，钙钛矿充当本征半导体，p,n材料拥有接近的载流子浓度，决定了两边的耗尽区域的宽度都会远远大于10 nm，故缺陷电荷没法收集。而且研究团队发现，在C-PSC中，可见光照射后，其缺陷浓度会有增加，所以这时候，缺陷态电子对电流贡献会愈发明显（图D），其外量子效率（EQE）峰值可以达到100%（图E），从而得到很高的光电转换效率（图F），这和研究中发现光照可以提高C-PSC活性并得到更高的光电转换效率的相关研究结果是一致的（Science, 2014, 345, 295-298）。

这一成果近期发表在《Advanced Functional Materials》上。

该论文作者为：Keyou Yan, Zhanhua Wei, Tiankai Zhang, Xiaoli Zheng, Mingzhu Long, Zefeng Chen, Weiguang Xie, Teng Zhang, Yuda Zhao, Jianbin Xu, Yang Chai, Shihe Yang

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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201602736/full

Near-Infrared Photoresponse of One-Sided Abrupt MAPbI₃/TiO₂ Heterojunction through a Tunneling Process

Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 8545-8554, DOI: 10.1002/adfm.201602736

研究团队介绍

严克友博士，毕业于香港科技大学，目前为香港中文大学研究助理教授。已发表了超过50篇学术期刊论文，其中多篇在国际化学顶级期刊如Journal of the American Chemistry Society (JACS)、Nature Communications，纳米权威期刊如ACS Nano，能源环境高影响因子期刊如Energy & Environmental Science发表，文章他引2,000多次，其中2015年发表的2篇关于钙钛矿电池的文章被选为ESI高引论文。严克友博士为美国化学会(ACS)会员，并担任JACS、Nature Communications等权威期刊的审稿人，是材料物理与化学领域的青年专家，目前的研究兴趣为新型光伏光电器件。

http://www.x-mol.com/university/faculty/31111

许建斌教授为纳米技术和电子材料领域的资深专家，已发表论文超过350篇，包括Nature Photonics、Nature Nanotechnology等子刊。他积极参加各种专业活动，并担任多个重要国际电子材料会议的主席。他是香港工程师学会(HKIE)会员，美国电机及电子工程师学会（IEEE）高级会员、香港材料研究学会秘书长和理事等。许教授现为是中大材料科学技术研究中心主任。他也是国家教育部长江讲座教授。

柴扬博士目前为香港理工大学应用物理系助理教授，是香港研究资助局 Early Career Award 获得者，IEEE Distinguished Lecturer。他目前发表了包括Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano在内的论文70多篇。目前研究兴趣包括低维材料与电子器件以及能源器件等。

杨世和教授是知名物理化学和材料化学家，现任香港科技大学化学系教授、材料测试中心副主任。曾获得国家自然科学奖、国家自然科学基金杰出青年基金、教育部长江讲座教授。在国际权威期刊上发表论文450多篇（已被SCI库收录450篇），h-因子超过70，他引次数14000多次，其中单篇引用最高361次。研究工作多次被国际科学媒体亮点报道、多次被科学杂志选做封面论文。至今获得10项授权发明专利。