钙钛矿太阳能电池中光增强的离子迁移现象

最近，有机无机杂化钙钛矿型（CH3NH3PbI3）太阳能电池由于高吸收系数、平衡的电子空穴迁移率、可调控的带隙、极高的量子发光效率和较大的缺陷容忍度等一系列特点使得此类电池的光电转化效率在短短几年之内超过了22%。目前困扰钙钛矿电池的最大障碍在于其稳定性问题，除去此类电池在潮湿环境中不稳定之外，研究还发现此类电池在光照下的稳定性衰减更为迅速，并且随光强增强稳定性衰减更快。由于有机无机钙钛矿材料属于离子导体，离子迁移过程主导着电池中的许多奇异行为。因此研究光照下钙钛矿材料中的离子迁移行为对于深入理解光照下稳定性变差的根本机理至关重要。

近期，由俞大鹏院士领导的6163银河线路检测中心“纳米结构与低维物理”研究团队在该领域取得新进展。该团队赵清教授和刘开辉研究员等利用实验室自行搭建的温度，光强，电场三场共同调制的集成测试系统，对CH3NH3PbI3薄膜进行了变温（17-295 K）和不同光强（0-20 mW/cm2）下的恒电流测试，发展了一整套将钙钛矿材料中的电子电导与离子电导分离开来的方法。通过系统和定量分析，得到了CH3NH3PbI3在不同光强下离子迁移的活化能数据。发现随着光强的增强（从0增大到20 mW/cm2），活化能降低了五倍左右(0.82 to 0.15 eV)。这强有力的证明了离子迁移在光照下得到了显著增强，而离子迁移的增强会导致更多的缺陷态产生，从而导致电池效率的下降。此工作很好的揭示了钙钛矿太阳能电池在光照下稳定性变差的根本原因，并为今后如何进一步提升钙钛矿电池的稳定性提供了非常重要的科学依据，指出有效抑制离子迁移是提高电池稳定性的重要途径。

该研究成果近期发表于Nature. Light: Science & Applications 2016; doi: 10.1038/lsa.2016.243.，博士研究生赵怡程为第一作者，赵清教授和刘开辉研究员为共同通讯作者。该研究成果得到了基金委优秀青年基金、介观物理国家重点实验室、6163银河线路检测中心电子显微镜实验室、量子物质科学2011协同创新中心、以及科技部和国家自然科学基金委等的大力支持。