中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)太陽能電池激發(fā)態(tài)載流子復(fù)合機制取得新進展

:近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院及合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計中心(ICQD)趙瑾教授研究團隊在鈣鈦礦太陽能電池電子空穴復(fù)合機理研究工作中取得新進展，他們利用團隊自主發(fā)展的第一性原理激發(fā)態(tài)動力學(xué)程序，揭示了低頻振動聲子在電子空穴復(fù)合機制中的重要作用，該結(jié)果以“Low-frequency lattice phonons in halide perovskites explain high defect tolerance toward electron-hole recombination.” 為題，發(fā)表在Science Advances上，第一作者褚維斌在合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心取得博士學(xué)位，趙瑾教授與匹茲堡大學(xué)Wissam A. Saidi教授為共同通訊作者。

半導(dǎo)體材料缺陷與雜質(zhì)如何影響電子空穴復(fù)合是這個領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。早在19世紀(jì)50年代，著名的科學(xué)家Shockley, Read和Hall就提出了Shockley-Read-Hall (SRH)模型，在這個模型中，他們認(rèn)為能量位于能隙中間的“深能級”會形成電子-空穴復(fù)合中心，多年來，半導(dǎo)體科學(xué)界的許多科學(xué)家都在使用這個簡單的判據(jù)。然而，在SRH模型中，電聲耦合效應(yīng)并沒有被考慮進來，而電聲耦合卻是電子空穴通過非輻射躍遷復(fù)合的決定性因素。在本工作中，趙瑾教授研究團隊利用自主研發(fā)的第一性原理激發(fā)態(tài)動力學(xué)軟件Hefei-NAMD研究了鉛鹵鈣鈦礦電池MAPbI3中缺陷對電子空穴復(fù)合的影響，準(zhǔn)確地考慮了電聲耦合、能級差、原子運動速度、電子退相干、載流子濃度等因素，發(fā)現(xiàn)在這個體系中，缺陷并不會形成電子空穴復(fù)合中心，出現(xiàn)了SRH模型完全失效的情況。通過定量的電聲耦合分析發(fā)現(xiàn)，由于材料硬度低，無論有沒有缺陷，對電子空穴復(fù)合有貢獻(xiàn)的聲子都是低頻聲子，對應(yīng)的非絕熱耦合量小，使電子空穴復(fù)合變慢，這也是鉛鹵鈣鈦礦電池雖然有很多缺陷，卻仍然擁有較好的太陽能轉(zhuǎn)化效率的原因。

圖片說明：鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池體系中缺陷不能形成電子空穴復(fù)合中心。(a) 電子空穴通過缺陷復(fù)合示意圖；(b) 2 ns之內(nèi)不同體系電子空穴復(fù)合概率；(c)電子空穴直接復(fù)合概率；(d)電子空穴通過缺陷復(fù)合概率。

在本工作中，Wissam A. Saidi教授負(fù)責(zé)體系缺陷結(jié)構(gòu)的搭建及基態(tài)的計算，趙瑾教授課題組負(fù)責(zé)激發(fā)態(tài)動力學(xué)計算。本工作是Hefei-NAMD軟件的又一重要應(yīng)用，自2016年起，利用該軟件發(fā)表的學(xué)術(shù)論文已接近30篇。

本工作受到基金委、科技部、安徽省等單位的支持。