日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐集賢教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校Michael D. McGehee教授團(tuán)隊(duì)，在鈣鈦礦光伏-發(fā)光二極管（PV-LED）雙功能器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種兼具界面鈍化與光學(xué)調(diào)控功能的多孔嵌入式光管理結(jié)構(gòu)e-Al2O3，成功破解了鈣鈦礦二極管中發(fā)光與光伏性能長(zhǎng)期存在的互易性矛盾，實(shí)現(xiàn)了同一器件中高效太陽能電池與高效發(fā)光二極管性能的協(xié)同突破。相關(guān)成果以“Passivated porous light-management structure resolves emission-photovoltaic trade-off in thick perovskite diodes”為題，于3月27日在線發(fā)表于期刊《焦耳》（Joule）。

根據(jù)細(xì)致平衡原理，光伏器件與發(fā)光器件在效率極限上存在互易性關(guān)系：電致發(fā)光外量子效率直接決定了其可達(dá)到的最大開路電壓與光電轉(zhuǎn)換效率。換言之，逼近輻射極限的高效光伏電池必然同時(shí)也是高效的發(fā)光二極管。這一基本物理認(rèn)知，為通過提升器件發(fā)光效率來突破光伏效率瓶頸提供了根本依據(jù)。在III-V族單晶半導(dǎo)體（如砷化鎵）器件的發(fā)展歷程中，互易性關(guān)系已得到驗(yàn)證——通過抑制非輻射復(fù)合、增強(qiáng)光子循環(huán)和光子提取，砷化鎵光伏電池的功率轉(zhuǎn)換效率與電致發(fā)光外量子效率同步接近理論極限。然而，在其他光電材料體系尤其是多晶材料體系中，如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效發(fā)光與高效光伏轉(zhuǎn)換，仍是亟待解決的關(guān)鍵問題。

金屬鹵化物鈣鈦礦具有優(yōu)異的光吸收、發(fā)光和載流子輸運(yùn)特性，是當(dāng)前高性能太陽能電池和發(fā)光二極管的重要半導(dǎo)體材料，為驗(yàn)證和拓展互易性關(guān)系提供了理想平臺(tái)。然而，在同一器件中實(shí)現(xiàn)這一原理并非易事，尤其是在需要兼顧發(fā)光與光伏功能的厚膜鈣鈦礦二極管中。高性能鈣鈦礦LED通常依賴超薄或局部不連續(xù)的鈣鈦礦層以增強(qiáng)出光，而高性能太陽能電池則需要較厚且連續(xù)的吸收層以獲得充分的光吸收和高電流輸出，兩類器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在明顯差異。此外，盡管光子循環(huán)已被證明是高輻射效率半導(dǎo)體逼近極限性能的重要機(jī)制，但在多晶厚膜鈣鈦礦器件中，如何在維持有效電荷傳輸?shù)耐瑫r(shí)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)同提升光子循環(huán)與光子逃逸概率，仍然缺乏有效方案。

研究團(tuán)隊(duì)通過靜電共組裝策略，構(gòu)建了表面鈍化的低折射率多孔氧化鋁微米島結(jié)構(gòu)，并將其嵌入器件的埋底界面。該結(jié)構(gòu)在不影響電荷傳輸?shù)那疤嵯?，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了非輻射復(fù)合的抑制、光子逃逸的增強(qiáng)以及光子循環(huán)的利用，相關(guān)結(jié)論得到了理論與實(shí)驗(yàn)的雙重驗(yàn)證，確認(rèn)了其普遍性?；谶@一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)制備了厚度約為800 nm的鈣鈦礦二極管，在LED工作模式下實(shí)現(xiàn)了約31%的電致發(fā)光外量子效率，以及超過1200 W sr-1m-2的高輻亮度；此外，實(shí)現(xiàn)了低于帶隙電壓的驅(qū)動(dòng)電壓，使得電致發(fā)光的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到約32%。在光伏模式下，該器件的光電轉(zhuǎn)換效率為27.3%，并獲得26.7%的認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率，被美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的效率紀(jì)錄表收錄。該結(jié)構(gòu)也使得器件在PV和LED兩種模式下的工況穩(wěn)定性都得到顯著增強(qiáng)。該工作首次在GaAs以外的光電材料中實(shí)現(xiàn)了高效的PV和LED雙功能器件驗(yàn)證，證明了“非輻射復(fù)合抑制—光子逃逸增強(qiáng)—光子循環(huán)利用”協(xié)同增效理論模型的有效性，為鈣鈦礦光電器件同時(shí)逼近電致發(fā)光與光伏轉(zhuǎn)換的輻射極限提供了新的思路與設(shè)計(jì)原則。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院研究生毛凱天和蔡逢春為論文共同第一作者。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐集賢教授和美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校Michael D. McGehee教授為通訊作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)樊逢佳教授為本論文的合作者。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為論文的第一單位。本項(xiàng)目得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部青年教師科研創(chuàng)新能力支持項(xiàng)目等基金資助。感謝國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、上海光源同步輻射以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理科學(xué)儀器中心提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持。

圖1 基于e-Al2O3結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦光電二極管展現(xiàn)PV-LED互易性

圖2 （A）e-Al2O3器件的截面SEM圖像。（B）LED模式性能對(duì)比圖。（C）器件非輻射復(fù)合性能測(cè)試。（D-E）1.54 eV和1.53 eV器件的認(rèn)證光伏能量轉(zhuǎn)換效率。（F）PV-LED雙模式性能對(duì)比圖。