【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院大連化學物理研究所化學反應動力學全國重點實驗室超快時間分辨光譜與動力學研究組(1110組)金盛燁研究員、田文明研究員團隊發展了一種結合熒光成像與光電流成像的新型表征平臺，實現了對鈣鈦礦太陽能電池在實際工作狀態下晶界區域光電流增強機制的空間分辨探測。研究發現，晶界不僅能夠促進光生載流子的分離與收集，還可能因缺陷態引發復合損失，呈現出“雙刃劍”效應。該工作在實際器件中直觀揭示了晶界的正負協同作用機制，為鈣鈦礦電池結構設計與性能優化提供了新的技術思路。
鈣鈦礦太陽能電池因其優異的光電性能被視為最具發展前景的新一代光伏技術之一。該器件的光電轉換過程涉及多個關鍵步驟，其中載流子的高效分離與定向傳輸至關重要。雖然傳統觀點認為晶界主要通過缺陷態成為載流子復合中心，但晶界對載流子輸運的具體調控機制，特別是在實際工作條件下的動態行為仍缺乏直接證據。開發能夠在器件工作狀態下原位表征電荷動力學行為的先進成像技術，對于揭示晶界作用機制具有重要科學意義。
本研究以鈣鈦礦太陽能電池為研究對象，構建了高空間分辨的光電流成像系統，對不同結晶質量的鈣鈦礦器件進行了系統比較。研究發現，在高質量器件中，晶界區域的光電流信號明顯增強，且與光致發光強度呈現負相關關系，表明晶界能夠促進光生載流子的分離與傳輸。通過結合開爾文探針力顯微鏡和瞬態吸收顯微鏡技術，團隊證實晶界處存在內建電場。該電場引起的能帶彎曲可在百皮秒時間尺度內驅動電子向晶界富集，同時促使空穴向相反方向分離，形成穩定的電荷分離態。相比之下，在低質量器件中，由于晶界缺陷密度較高，載流子的分離效率明顯降低。該研究系統揭示了晶界在高效鈣鈦礦器件中“促進分離、增強收集”的正向功能，為設計高性能太陽能電池的界面工程提供了重要參考。
相關研究成果以“Grain Boundaries Contribute to the Performance of Perovskite Solar Cells by Promoting Charge Separations”為題，發表在《微納快報》(Nano-Micro Letters)上。該工作的共同第一作者是我所1110組與中國科學技術大學聯合培養博士研究生徐鵬、大連理工大學博士研究生王鵬飛、大連理工大學王敏煥副教授。該項研究工作得到國家自然科學基金、遼寧省興遼英才計劃、中國科學院基礎研究領域優秀青年團隊等項目的資助。
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