有機-無機雜化鈣鈦礦憑借其的光物理特性,在光伏技術(shù)領域引發(fā)廣泛關注。最新研究顯示,該類材料制備的太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率已突破26%,與高性能單晶硅電池處于同一技術(shù)梯隊。值得注意的是,效率提升的關鍵路徑聚焦于光生載流子壽命的延長與遷移能力的增強。當前主流策略通過表面工程化修飾和元素摻雜來抑制材料缺陷,但受限于晶格聲子散射效應,此類方法對電荷遷移率的提升存在瓶頸。
這類鈣鈦礦材料的"軟晶格"特性使其晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)顯著的溫度敏感性。以經(jīng)典材料CH3NH3PbI3為例,其室溫穩(wěn)定相為四方晶系,當溫度降低時會發(fā)生向正交晶系的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。在此相變過程中,單晶內(nèi)部會形成正交相基體與四方相微區(qū)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于兩相晶格參數(shù)差異導致的界面失配,會在晶體內(nèi)部產(chǎn)生相變界面缺陷。通過精確的溫度調(diào)控,可實現(xiàn)相變程度與缺陷密度的梯度化調(diào)控。突破性研究發(fā)現(xiàn),此類相變?nèi)毕輰d流子動力學產(chǎn)生雙重調(diào)控效應:一方面,部分載流子遵循濃度梯度擴散機制進行輸運;另一方面,相變?nèi)毕萃ㄟ^捕獲-釋放機制有效抑制載流子復合。與傳統(tǒng)缺陷理論不同,實驗觀測到載流子在相變?nèi)毕葺o助下實現(xiàn)了1345.2 cm2V?1s?1的超高遷移率,較室溫常態(tài)值提升達14倍。這種非輻射躍遷的量子隧穿傳輸機制,揭示了鈣鈦礦材料中新型載流子輸運路徑。
基于該發(fā)現(xiàn)構(gòu)建的CH3NH3PbI3微晶光電探測器展現(xiàn)出顯著性能突破,光電流密度實現(xiàn)300%的增幅。此項研究不僅革新了學界對鈣鈦礦載流子傳輸物理機制的理解,更為開發(fā)寬溫域自適應光電器件提供了理論依據(jù)。通過精準調(diào)控相變工程,未來有望突破現(xiàn)有光伏材料的性能極限,推動新一代光電器件的創(chuàng)新發(fā)展。
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