超越带隙的挠曲光伏效应 | 前沿快讯No.44

南昌大学物理与材料科学学院Zhiguo Wang等测量了卤化物钙钛矿MAPbBr₃和MAPbI₃单晶以及氧化物钙钛矿钛酸锶的挠曲光伏效应，发现卤化物钙钛矿挠曲光伏效应比钛酸锶大几个数量级，并且足以引起大于带隙的光电电压；同时MAPbI₃中的挠曲光伏效应是可控的和类似铁电的体光伏效应的附加效应。其研究表明即便在已经得到广泛应用的光伏材料中，应变梯度工程也能成为调节光伏输出的强力工具。相关研究成果以Flexophotovoltaic Effect and Above-Band-Gap Photovoltage Induced by Strain Gradients in Halide Perovskites为题，作为编辑推荐（Editors’ suggestion）发表于《物理评论快报》Physical Review Letters, 2024, 132, 086902上。

光伏效应需要打破空间反演对称性，因此光生载流子具有优先的流动方向，从而形成光电流。在传统的太阳能电池中，空间对称性被界面打破，光载流子流向结的电荷仿射的最强侧。在具有压电晶体结构的材料内部，空间反演对称性也可以在没有界面的情况下本征破缺。在压电体内部产生的电子-空穴对具有不同的向相反方向漂移的概率，从而产生光响应电流。后者被称为体积光伏效应，它的大小幅度不受到太阳能电池相同的限制；特别地，体积光电电压可以大于半导体带隙。

任何晶体的空间反演对称性，包括压电晶体或其他晶体，也可以被应变梯度（晶格曲率）打破，这是挠曲电的基础。所有材料的对称性，包括半导体，都允许存在应变梯度和极化之间的线性耦合。当应变梯度使材料极化时，产生梯度诱导的整体光伏效应，被称为挠曲光伏效应。虽然关于挠曲光伏效应还有一些疑问，但它背后的对称原理是坚实的。另一方面，虽然它的存在受到对称性的保证，但它的确切大小仍然未知；同时，目前还不清楚应变梯度是否能单独引起超越带隙的光电压。

本文作者定量研究了部分钙钛矿的挠曲光伏效应，并证实其的确可以产生大于带隙的光电压。尤其关注了卤化物钙钛矿体系，这是一种结合了高光伏转换效率和大的挠曲电效应的材料。此外，作者还测量了作为氧化物钙钛矿基准和第一个检测到挠曲光伏效应的钛酸锶（STO）材料，发现卤化物钙钛矿挠曲光伏效应比钛酸锶大几个数量级，并且足以引起大于带隙的光电电压；其研究表明即便在已经得到广泛应用的光伏材料中，应变梯度工程也能成为调节光伏输出的有效手段。

图1钛酸锶STO和卤化物钙钛矿MAPB的挠曲光伏实验原理图和结果。

图2 MAPI的光伏输出随应变梯度和极化场的变化。

图3 应变梯度引起超越带隙的光电压。

原文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.086902

编译：不言

排版：不言

美编：农民

责编：理趣

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