Science/Nature齊發(fā)：是什么限制了鈣鈦礦器件的性能？

:編者注：在不到一個月的時間里，Science和Nature期刊相繼深入研究陷阱態(tài)對鈣鈦礦器件的影響，不得不說這是一個很大進步！就編者個人觀點來看，金屬鹵化物鈣鈦礦材料的“神秘面紗”在正在慢慢地被揭開。在鈣鈦礦光伏器件的效率突破25%之后，如何深入研究該類材料的內(nèi)在特性以及建立器件的相關聯(lián)性是大家所關注的。那么測試技術和儀器的研發(fā)就顯得尤為重要。簡言之，好idea+新技術+新儀器缺一不可！

（來源：微信公眾號“納米人”ID：nanoer2015）

缺陷限制鈣鈦礦器件性能

在鈣鈦礦薄膜加工過程中，通常不可避免地會產(chǎn)生缺陷。其中，點缺陷通常僅在鈣鈦礦帶隙中的淺電子狀態(tài)，一般具有較低的形成能，對器件性能影響較小，但在帶隙內(nèi)的深電荷陷阱會俘獲電荷載流子，并使其非輻射復合，進一步引起光致發(fā)光的局部變化并限制器件的效率和穩(wěn)定性。

盡管這些陷阱態(tài)與混合鹵化物鈣鈦礦中的光誘導鹵化物偏析和局部應變有關，然而，這些陷阱態(tài)的起源和分布仍是不清楚的。那么，下面分享的兩個最新研究希望可以對你有啟發(fā)。

Nature: 晶界處的納米級陷阱簇，限制鈣鈦礦器件的性能

第一作者：Tiarnan A. S. Doherty, Andrew J. Winchester

通訊作者：Samuel D. Stranks，Keshav M. Dani

通訊單位：英國劍橋大學，日本沖繩科技大學院大學

鑒于此，劍橋大學Samuel D. Stranks和沖繩科技大學院大學Keshav M. Dani等人使用光發(fā)射電子顯微鏡對最新的鹵化物鈣鈦礦薄膜中的陷阱分布進行成像，并進行深入研究。

圖1.光發(fā)射電子顯微鏡揭示空間陷阱位置的分布會導致非輻射功率損耗

研究人員觀察到了離散的納米級陷阱簇，而不是在光致發(fā)光效率差的區(qū)域內(nèi)相對均勻的分布。通過將顯微鏡測量結果與掃描電子分析技術相關聯(lián)，研究發(fā)現(xiàn)這些陷阱簇出現(xiàn)在晶體學和組成上不同的實體(可能包含晶粒)之間的界面上。與非輻射復合相關的陷阱位點出現(xiàn)在納米級簇中，這會影響電荷載流子的壽命和太陽能電池的開路電壓，并最終限制了器件的性能。

圖2.探測納米陷阱簇的晶粒成分

圖3.高分辨衍射和組成特性納米級陷阱富集異質(zhì)結

最后，通過產(chǎn)生時間分辨的光激發(fā)載流子俘獲過程的光發(fā)射序列，揭示了一個空穴俘獲特性，其動力學受空穴向局部俘獲簇擴散的限制。該方法表明，在納米尺度上管理結構和組成對于鹵化物鈣鈦礦器件的最佳性能至關重要。

圖4.納米級光激發(fā)載流子俘獲動力學

總之，該方法的應用范圍遠遠超出對鹵化物鈣鈦礦（定位和識別深陷阱態(tài)的結構和成分起源）的研究能力，這將適用于多種對射線敏感的半導體材料系列，包括塊體無機材料和二維材料。