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我科學家首測鈣鈦礦材料中電荷輸運量子干涉效應

來源:科技日報 作者:陳曦 喬仁明 2019-12-20 16:30:02

鈣鈦礦太陽電池在短短7年間光電轉換效率突破25%,媲美已有40多年發展歷程的傳統晶硅太陽電池,伴隨性能研究的深入,其科學機制研究日益備受關注。近日,南開大學電子信息與光學工程學院李躍龍副教授與廈門大學化學化工學院洪文晶教授團隊、英國蘭卡斯特大學科林·蘭伯特院士合作,在國際上首次報道了鈣鈦礦材料在納米尺度電荷輸運中的獨特量子干涉效應,為制備基于量子效應的鈣鈦礦材料和器件提供了可能,相關研究成果于近日在線發表于國際權威期刊《自然·通訊》上。

鈣鈦礦材料由于其優異的光電子學特性成為近年來材料科學研究熱點,在太陽能電池、發光二極管和光電檢測器等領域已有諸多成功應用。“電荷在鈣鈦礦材料中的輸運過程是影響其性能的關鍵步驟之一,理解和研究鈣鈦礦材料中,電子輸運在納米尺度下的獨特效應,對鈣鈦礦材料與器件的設計和性能進一步提升具有重要指導意義。”李躍龍介紹說,幾納米大小的鈣鈦礦量子點是人類能夠獲得的最小原子團簇,其成分、尺寸以及不同裸露的晶面都與其光電性質密切相關,同時可以完美模擬鈣鈦礦太陽電池等光電器件中多晶鈣鈦礦薄膜的晶粒特性,是研究鈣鈦礦材料或器件優異光電特性的良好平臺,但也對科學儀器的空間分辨率和材料器件制備提出了巨大挑戰。

針對以上問題,南開大學李躍龍副教授設計合成了一系列鈣鈦礦量子點,并依托廈門大學洪文晶教授團隊自主研發的具有皮米級位移調控精度的科學儀器,對鈣鈦礦量子點開展原位測試。通過金電極在鈣鈦礦晶胞間的滑移,研究人員實現了對單個晶胞上距離僅5埃米不同連接位點之間的電荷輸運測試,并意外觀測到當電極連接到同一晶胞不同位點時,其電荷輸運能力具有了接近一個量級的顯著增強。通過與科林·蘭伯特院士合作,研究人員揭示了這一未曾報道的電導增強現象,源于電荷輸運經由納米尺度鈣鈦礦材料時發生的量子干涉效應。

這一跨學科國際合作取得的重要突破,成功將量子干涉研究體系拓展至鈣鈦礦材料領域,有望揭開高效鈣鈦礦太陽能電池等光電器件背后的秘密,并開辟基于量子效應的新型高性能鈣鈦礦光電器件的全新研究領域。

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