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  • 我所揭示鐵電效應提升太陽電池效率的新機制

      近日,我所太陽能研究部(DNL16)李燦院士、秦煒博士和博士研究生Wajid Ali等在有機鉛鹵鈣鈦礦(MHP)太陽電池研究領域取得新進展,揭示了鈣鈦礦材料非輻射復合與晶格應變之間的關聯,并通過調控鐵彈應變使太陽電池開路電壓接近熱力學極限。

      李燦團隊在研究光(電)催化等太陽燃料合成同時,長期探索太陽電池的新材料和新機制,在有機太陽電池和鈣鈦礦太陽電池基礎科學問題的研究方面也取得重要成果,提出了Dion-Jacobson二維相鈣鈦礦可以顯著提升鈣鈦礦電池性能和穩定性。

      原理上,鐵電材料的晶格電場可以顯著提升光生載流子的分離。本工作利用了MHP相變過程與結晶過程的耦合,通過誘導各向異性的對稱性破缺,制備了在室溫下穩定存在的鈣鈦礦鐵彈體。在外加電場下,離子晶體的電致伸縮性質會使MHP發生鐵彈應變。該工作發現,鐵彈應變下MHP中光生載流子的非輻射復合會被顯著抑制。通過精細表征鐵彈應變下的晶體結構,研究人員建立了MHP的鐵彈應變與非輻射復合之間的關聯。進一步,該研究結合理論計算揭示了鐵彈應變會使疇壁晶胞發生鐵電相變,在外電場作用下鐵電晶格電場會對齊并形成穩定的電荷分離能力。通過誘導鐵彈應變,鐵電電場的電荷分離能力可以使得MHP太陽電池的開路電壓提升約150 mV,達到1.26 V,接近該材料的熱力學極限(1.32 eV)。上述結果為MHP材料的鐵電電場形成機制提供了新的關鍵證據。

      相關成果以“Suppressing non-radiative recombination in metal halide perovskite solar cells by synergistic effect of ferroelasticity”為題,發表在《自然—通訊》(Nature Communications)上。該工作的第一作者是我所DNL16的助理研究員秦煒和博士研究生Wajid Ali,其中理論計算工作由北京航空航天大學王建峰博士合作完成。該工作得到國家自然科學基金、國家自然科學基金委“人工光合成”基礎科學中心項目、我所創新基金等項目的資助。(文/圖 秦煒、Wajid Ali)

      文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-35837-1

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