李灿团队揭示铁电效应提升太阳电池效率的新机制

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近日，我所太阳能研究部（DNL16）李灿院士、秦炜博士和博士研究生Wajid Ali等在有机铅卤钙钛矿（MHP）太阳电池研究领域取得新进展，揭示了钙钛矿材料非辐射复合与晶格应变之间的关联，并通过调控铁弹应变使太阳电池开路电压接近热力学极限。
　　李灿团队在研究光（电）催化等太阳燃料合成同时，长期探索太阳电池的新材料和新机制，在有机太阳电池和钙钛矿太阳电池基础科学问题的研究方面也取得重要成果，提出了Dion-Jacobson二维相钙钛矿可以显著提升钙钛矿电池性能和稳定性。

太阳燃料合成

　　原理上，铁电材料的晶格电场可以显著提升光生载流子的分离。本工作利用了MHP相变过程与结晶过程的耦合，通过诱导各向异性的对称性破缺，制备了在室温下稳定存在的钙钛矿铁弹体。在外加电场下，离子晶体的电致伸缩性质会使MHP发生铁弹应变。该工作发现，铁弹应变下MHP中光生载流子的非辐射复合会被显著抑制。通过精细表征铁弹应变下的晶体结构，研究人员建立了MHP的铁弹应变与非辐射复合之间的关联。进一步，该研究结合理论计算揭示了铁弹应变会使畴壁晶胞发生铁电相变，在外电场作用下铁电晶格电场会对齐并形成稳定的电荷分离能力。通过诱导铁弹应变，铁电电场的电荷分离能力可以使得MHP太阳电池的开路电压提升约150 mV，达到1.26 V，接近该材料的热力学极限（1.32 eV）。上述结果为MHP材料的铁电电场形成机制提供了新的关键证据。
　　相关成果以“Suppressing non-radiative recombination in metal halide perovskite solar cells by synergistic effect of ferroelasticity”为题，发表在《自然—通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者是我所DNL16的助理研究员秦炜和博士研究生Wajid Ali，其中理论计算工作由北京航空航天大学王建峰博士合作完成。该工作得到国家自然科学基金、国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心项目、我所创新基金等项目的资助。（文/图 秦炜、Wajid Ali）
　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-35837-1
       文献来源：兰州大学
      李灿，男，汉族，1960年1月生于甘肃省。理学博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。2003年当选中国科学院院士，2005年当选第三世界科学院院士，2008年当选欧洲人文和自然科学院外籍院士、英国皇家化学学会会士。任中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室（筹）主任，中法催化联合实验室中方主任，英国石油公司与中国科学院大连化学物理研究所能源创新实验室主任，兼任中国科学技术大学材料与化学学院院长。主要从事催化材料、催化反应和催化光谱表征方面的研究，研制了具有自主知识产权的国内第一台用于催化材料研究的紫外共振拉曼光谱仪。