近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超快時(shí)間分辨光譜與動(dòng)力學(xué)研究組(1110組)金盛燁研究員、田文明研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種結(jié)合熒光成像與光電流成像的新型表征平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在實(shí)際工作狀態(tài)下晶界區(qū)域光電流增強(qiáng)機(jī)制的空間分辨探測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，晶界不僅能夠促進(jìn)光生載流子的分離與收集，還可能因缺陷態(tài)引發(fā)復(fù)合損失，呈現(xiàn)出“雙刃劍”效應(yīng)。該工作在實(shí)際器件中直觀揭示了晶界的正負(fù)協(xié)同作用機(jī)制，為鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供了新的技術(shù)思路。
 

　　鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其優(yōu)異的光電性能被視為最具發(fā)展前景的新一代光伏技術(shù)之一。該器件的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟，其中載流子的高效分離與定向傳輸至關(guān)重要。雖然傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為晶界主要通過(guò)缺陷態(tài)成為載流子復(fù)合中心，但晶界對(duì)載流子輸運(yùn)的具體調(diào)控機(jī)制，特別是在實(shí)際工作條件下的動(dòng)態(tài)行為仍缺乏直接證據(jù)。開發(fā)能夠在器件工作狀態(tài)下原位表征電荷動(dòng)力學(xué)行為的先進(jìn)成像技術(shù)，對(duì)于揭示晶界作用機(jī)制具有重要科學(xué)意義。
 

　　本研究以鈣鈦礦太陽(yáng)能電池為研究對(duì)象，構(gòu)建了高空間分辨的光電流成像系統(tǒng)，對(duì)不同結(jié)晶質(zhì)量的鈣鈦礦器件進(jìn)行了系統(tǒng)比較。研究發(fā)現(xiàn)，在高質(zhì)量器件中，晶界區(qū)域的光電流信號(hào)明顯增強(qiáng)，且與光致發(fā)光強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明晶界能夠促進(jìn)光生載流子的分離與傳輸。通過(guò)結(jié)合開爾文探針力顯微鏡和瞬態(tài)吸收顯微鏡技術(shù)，團(tuán)隊(duì)證實(shí)晶界處存在內(nèi)建電場(chǎng)。該電場(chǎng)引起的能帶彎曲可在百皮秒時(shí)間尺度內(nèi)驅(qū)動(dòng)電子向晶界富集，同時(shí)促使空穴向相反方向分離，形成穩(wěn)定的電荷分離態(tài)。相比之下，在低質(zhì)量器件中，由于晶界缺陷密度較高，載流子的分離效率明顯降低。該研究系統(tǒng)揭示了晶界在高效鈣鈦礦器件中“促進(jìn)分離、增強(qiáng)收集”的正向功能，為設(shè)計(jì)高性能太陽(yáng)能電池的界面工程提供了重要參考。
 

　　相關(guān)研究成果以“Grain Boundaries Contribute to the Performance of Perovskite Solar Cells by Promoting Charge Separations”為題，發(fā)表在《微納快報(bào)》(Nano-Micro Letters)上。該工作的共同第一作者是我所1110組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生徐鵬、大連理工大學(xué)博士研究生王鵬飛、大連理工大學(xué)王敏煥副教授。該項(xiàng)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省興遼英才計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域優(yōu)秀青年團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。