作者:李江宇等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/9/9 10:35:17
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综述:杂化钙钛矿的“极性之争”

南方科技大学李江宇教授、中国科学院深圳先进技术研究院王晓副研究员在《国家科学评论》(National Science Review,NSR)发表综述文章,全面总结了杂化钙钛矿与极性有关的结构、性质、实验表征和性能调控,并从理论模拟和实验表征两方面对极性研究方向的未来发展进行了展望。黄博远博士为第一作者。

杂化钙钛矿中极性离子的存在,引发了“极性与否”的大讨论,已成为钙钛矿领域的一大研究焦点。研究人员从理论模拟和实验表征两方面开展了大量研究,来寻找支持“极性与否”的证据。但是由于极性离子取向所产生的能量差别极小,而且极性结构与非极性结构的转化势垒很低,“极性与否”的确认面临着很大的困难。

在理论计算方面,极性与否从几个方面影响着钙钛矿的光电性质:

(1)直接带隙还是间接带隙;

(2)带隙的大小;

(3)带隙的价带顶和导带底是否存在Rashba/Dresselhaus效应;

(4)电子和空穴的分离。

在实验方面,杂化钙钛矿的结构极性与否及其对光伏性能的影响,可以归结为如下三点:

(1)现阶段光学二次谐波(SHG)、中子衍射、透射电子显微镜(TEM)、介电测试等方法在辨别极性与非极性结构的细微差异上还存在困难;

(2)扫描探针(SPM)可以通过表征钙钛矿的多重物性来反推其结构特性,并且极性与非极性畴结构对微观光电流的调控作用已得到证实;

(3)结构差异下潜藏的偶极矩、离子运动和缺陷等因素的影响不容忽视,可以通过其各异的力电耦合行为进行表征,例如离子运动曾被报道是光伏特性曲线出现回滞的重要诱因,上述发现对指导提升材料性能具有积极意义。

杂化钙钛矿的结构与性能表征:(a)光学二次谐波测试;(b)扫描探针证实交替畴结构(左)与微观光电流分布(右)相互关联;(c)极性与非极性交替畴结构在温度循环下的压电响应变化趋势不同;(d)探针测试钙钛矿的宏观压电与电致伸缩响应及其在不同场强下的对比结果。

在文章的最后,作者从理论和实验两方面,给出了极性研究的发展方向:

(1)高精度计算准确获得极性与非极性结构的能量差别;

(2)关注在介观尺度上极性对光电性质的影响,并开发相关的计算平台;

(3)基于人工智能算法开发准确经验势,引入温度、应力、光照等因素对极性和物性的影响和调控;

(4)逐步提高材料稳定性并改善中子衍射、TEM表征中存在的辐照损伤问题,有助于最终确认杂化钙钛矿结构的极性与否;

(5)将扫描探针与宏观表征结合,开展钙钛矿光伏器件原位测试下的微观机理研究。

最后,作者认为,极性与否已经不是我们关注的核心问题,在研究极性问题过程中所产生的思考和启发更为重要。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab094

 
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