鈣钛礦太陽能電池中光增強的離子遷移現象

最近，有機無機雜化鈣钛礦型（CH3NH3PbI3）太陽能電池由于高吸收系數、平衡的電子空穴遷移率、可調控的帶隙、極高的量子發光效率和較大的缺陷容忍度等一系列特點使得此類電池的光電轉化效率在短短幾年之内超過了22%。目前困擾鈣钛礦電池的最大障礙在于其穩定性問題，除去此類電池在潮濕環境中不穩定之外，研究還發現此類電池在光照下的穩定性衰減更為迅速，并且随光強增強穩定性衰減更快。由于有機無機鈣钛礦材料屬于離子導體，離子遷移過程主導着電池中的許多奇異行為。因此研究光照下鈣钛礦材料中的離子遷移行為對于深入理解光照下穩定性變差的根本機理至關重要。

近期，由俞大鵬院士領導的beat365“納米結構與低維物理”研究團隊在該領域取得新進展。該團隊趙清教授和劉開輝研究員等利用實驗室自行搭建的溫度，光強，電場三場共同調制的集成測試系統，對CH3NH3PbI3薄膜進行了變溫（17-295 K）和不同光強（0-20 mW/cm2）下的恒電流測試，發展了一整套将鈣钛礦材料中的電子電導與離子電導分離開來的方法。通過系統和定量分析，得到了CH3NH3PbI3在不同光強下離子遷移的活化能數據。發現随着光強的增強（從0增大到20 mW/cm2），活化能降低了五倍左右(0.82 to 0.15 eV)。這強有力的證明了離子遷移在光照下得到了顯著增強，而離子遷移的增強會導緻更多的缺陷态産生，從而導緻電池效率的下降。此工作很好的揭示了鈣钛礦太陽能電池在光照下穩定性變差的根本原因，并為今後如何進一步提升鈣钛礦電池的穩定性提供了非常重要的科學依據，指出有效抑制離子遷移是提高電池穩定性的重要途徑。

該研究成果近期發表于Nature. Light: Science & Applications 2016; doi: 10.1038/lsa.2016.243.，博士研究生趙怡程為第一作者，趙清教授和劉開輝研究員為共同通訊作者。該研究成果得到了基金委優秀青年基金、介觀物理國家重點實驗室、beat365電子顯微鏡實驗室、量子物質科學2011協同創新中心、以及科技部和國家自然科學基金委等的大力支持。