深入研究钙钛矿太阳能特性

HZB的研究人员对极化子和拉什巴效应有了新的认识

无机和混合有机卤化铅钙钛矿的研究已经蓬勃发展了几年。这类材料具有非常有趣的特性：例如，一些钙钛矿半导体还可以将富含能量的太阳光蓝色光谱转换为电能，因此，基于钙钛矿与硅的太阳能串联电池现在可实现30%的效率。

钙钛矿半导体也适用于LED，如半导体激光器和辐射探测器。与传统半导体不同的是，这些材料可以廉价生产，而且从溶液中制造薄膜的能耗很小。

但是，即使经过多年的深入研究，钙钛矿型半导体中确保优越电荷传输的微观过程仍然没有得到详细的了解。唯一清楚的是，通过阳光在材料中激发的载流子显然具有较长的寿命，并且丢失的概率较低，例如在缺陷处或通过复合。

为了解释这种行为，各种各样的假设都有，BESSY II（Helmholtz Zentrum Berlin的同步辐射源能产生非常明亮的X射线）的一个团队现在已经对这些假设进行了实验测试。Oliver Rader领导的团队得到了钙钛矿专家，HZB的Eva Unger的建议，他还为HySPRINT实验室提供了样品制备设施。

极化子

一个假设是极化子形成于卤化铅钙钛矿中，并有助于电荷传输。这类极化子是晶格中离子的振荡，它们因电荷而对电子的运动作出反应。由于钙钛矿由负离子（此处为铅）和正离子（此处为铯）组成，极化子起作用的假设显而易见。另一组测量结果似乎也支持这一假设。

然而，在BESSY II，这一假设可以通过实验进行详细验证。利用角分辨光电子能谱（ARPES）可以扫描电子能带结构。通过更高的有效质量，极化子在电荷传输中所占的比重将变得明显。ARPES测量电子的动能，即1/2 m v²，质量为m，速度为v。电子传输越“强”，所谓的“有效”质量m就越高。由于动量为p=mv，该公式对应于一条抛物线E= (p²)/(2m)，该抛物线在实验中可直接测出（见上图）：m越大，抛物线的曲率越小。

不过，Maryam Sajedi对CsPbBr₃晶体样品进行的测量并没有显示较小的曲率，因此反驳了大极化子的假设。“我们通过测量确定的有效质量并不比理论预测的大，”Maryam Sajedi说。Oliver Rader解释说：“我们与Forschungszentrum Jülich的理论科学家一起工作，为了确保我们考虑了除极化子以外的所有可能的效应，例如电子之间的排斥。然而，在这个实验中，我们不需要假设极化子的质量增加。”

没有巨拉什巴效应

第二种假设假设是为了限制由于载流子的复合造成的损失，而存在巨拉什巴（Rashba）效应。拉什巴效应基于重金属铅可能在卤化铅钙钛矿中产生强烈的自旋轨道耦合。同样，早期的研究指出，这种效应可能解释了载流子的长寿命。Maryam Sajedi用自旋ARPES检测了无机CsPbBr₃和混合有机MAPbBr₃的样品，并分析了测量数据。“这种影响至少比假设的小一百倍，”她对结果评论说。

反证有助于进步

“我们已经能够在实验上推翻关于钙钛矿中传输特性的两个常见假设，这是一个重要的结果，”Rader说。消除无效假设对于进一步优化这些材料非常有帮助。

参考文献

'Is There a Polaron Signature in Angle-Resolved Photoemission of CsPbBr3?' by Maryam Sajedi et al; Phys. Rev. Lett. 128, 29 April 2022

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