一块铅卤化物钙钛矿晶体样品。图片来源：© ISTA
新研究揭示铅卤化物钙钛矿太阳能电池高效转换光能的秘密
奥地利科学技术研究所团队发现材料内部“高速公路”网络，解释其异常优异的能量收集性能
即使存在杂质与结构缺陷，铅卤化物钙钛矿材料也能高效将阳光转化为电能，其性能正逼近长期主导行业的硅基光伏电池。在《Nature Communications》上发表的一项最新研究中，奥地利科学技术研究所（ISTA）团队详细阐明了这一意外高效的根本机制，为长期困扰科学家的谜团画上了句号。
铅卤化物钙钛矿为何能与硅技术抗衡？在过去的十五年里，铅卤化物钙钛矿成为下一代光伏器件的有力竞争者。与需要极高纯度单晶硅晶片的硅材料不同，这些钙钛矿可通过廉价的溶液法制备，且性能相当。ISTA的研究者 Dmytro Rak 与 Zhanybek Alpichshev 发现，正是材料内部自然形成的缺陷网络，使电荷能够在材料中长距离传播，从而实现高效能量转换。Rak 说：“我们的工作提供了这些材料的第一份物理学解释，并解释了其大多数，甚至全部已记录的特性。”这项发现将推动钙钛矿光伏电池迈向更广泛的商业化应用。
从被忽视的材料到太阳能突破“铅卤化物钙钛矿”一词源自1970年代的发现，其结构类似于更广泛研究的氧化物钙钛矿。最初，虽然能形成稳定的有机-无机混合晶体，但因缺乏突出应用而被忽视。直到2010年代初，研究者发现其将光能转换为电能的惊人能力，随后在 LED、X射线探测和成像等领域也展现潜力。Alpichshev 解释说：“这些材料还具有令人惊叹的量子特性，例如室温下的量子相干。”
光伏电池如何产生并输运电荷高效光伏电池需吸收阳光并将其转化为电荷，即产生负电荷电子与正电荷空穴。随后，这些电荷必须在材料中长距离传播并到达电极，产生可用电能。对于硅基电池而言，关键是消除能捕获电荷的缺陷；而钙钛矿则本质上拥有大量缺陷，因而其卓越性能尤为惊讶。
探寻钙钛矿内部隐藏的力钙钛矿的一个已知特性是，当电子与空穴形成束缚态（激子）时，通常会迅速复合。然而实验表明，电荷在材料中往往能长时间保持分离。ISTA团队提出，钙钛矿内部存在能主动将电子与空穴拉开的内力，阻止其复合。为验证此假设，研究者使用非线性光学技术将电荷注入材料深处，每次注入后都观察到相同方向的电流，即使未施加外部电压。Alpichshev 说：“这一现象清晰表明，即使在未经过处理的、原始生长的钙钛矿单晶内部，也存在将相反电荷分离的内力。”
领域壁网络：电荷“高速公路”此前研究表明，基于晶体结构的理论预期不会出现这种行为。为解答矛盾，团队认为电荷分离并非均匀发生，而是在特定区域——即“领域壁”处出现。领域壁是晶体结构略微改变的界面，它们在材料内部形成互连网络。为直接观测这些网络，Rak 采用了一种新方法：将银离子引入钙钛矿。银离子天然迁移并聚集在领域壁上，随后被转化为金属银，在显微镜下可见。Alpichshev 形容这种技术为：“类似于活体组织的血管造影，但我们在研究晶体的微观结构。”
领域壁网络赋能电荷高效输运该网络的发现是转折点。领域壁充当电荷的“通道”，将电荷引导穿过材料。Rak 解释道：“当电子-空穴对在领域壁附近产生时，局部电场会把它们拉向对立面，导致它们无法立即复合。随后它们沿领域壁漂移，仿佛在电荷载流子时间尺度上漫游数千年，跨越巨大的距离。”因此，领域壁本质上是电荷载流子的“高速公路”，极大提升了能量转换效率。
统一解释与未来发展路径研究者强调，本文提供了对钙钛矿行为的统一解释。Rak 说：“凭借这一完整的图景，我们终于能够调和此前关于铅卤化物钙钛矿多种相互矛盾的观测，解开其卓越能量捕获效率背后的长期争议。”过去改进钙钛矿光伏电池的主攻方向主要在化学成分上，进展有限。新的结构层面认知将开启对内部结构的工程化设计，或在保持低成本生产优势的同时进一步提升效率。该发现有望加速将下一代光伏技术从实验室推向广泛应用。
勇编撰自论文"Flexoelectric domain walls enable charge separation and transport in cubic perovskites".Nature Communications.2025相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。
