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鈣鈦礦太陽能電池自2009年問世以來，轉換效率高歌猛進，在短短十年之間已經由最初的3%大幅度增長至24%。不過學界對材料的一些基礎問題，仍然爭論不休，如有機無機雜化鈣鈦礦的鐵電極性及其光伏關聯等。
在上周五上線的一篇Advanced Materials論文中，中科院深圳先進技術研究院、浙江大學、和石家莊鐵道大學的研究小組，利用先進的原子力顯微方法，對這一問題在納米尺度做了新的解讀。
一些人可能認為有機無機雜化鈣鈦礦的鐵電極性只是一個純學術問題，與太陽能電池的性能並沒有太大的關係。但早期的一些計算表明，鐵電性所引起的退極化電場，有助於其光生載流子的分離，甚至可以在鐵電疇界形成高速的載流子傳輸通道，引起了不少人的興趣。而後來所發現的光伏JV曲線遲滯現象，也讓人聯想到鐵電遲滯，提出光伏遲滯源自鐵電遲滯。但在隨後幾年，雜化鈣鈦礦的鐵電極化一直缺乏實錘證據，而Snaith等人2015年在APL發表論文更顯示，電池的光伏遲滯主要是由離子遷移所引起的。因此對於雜化鈣鈦礦鐵電性的關注度有所降低。
不過Snaith的論文雖然清晰表明在其所研究的材料體系中，光伏遲滯源於離子遷移，但他們的數據表明在該體系之中並不存在鐵電極化。而最近的幾篇文章也表明鐵電極性在某些雜化鈣鈦礦體系中是存在的，取決於材料的成分和工藝。如中科院深圳先進院和石家莊鐵道大學等院校此前在npj Quantum Materials所發表的論文，就通過原子力顯微成像清晰顯示，在單晶雜化鈣鈦礦中，極性與非極性疇交替共存，而且極性疇所對應的光電流更低。此後在Nature Communications和Science Advances所發表的幾篇論文，也給出了雜化鈣鈦礦鐵電極性的更多證據。因此很自然的一個問題就是，在存在鐵電極性的時候，光伏遲滯是不是會增加了？
為回答這一問題，研究組採取三元鈣鈦礦體系作為研究對象，主要基於兩方面考慮。一是該體系光伏效率高，而遲滯較低；二是針對三元體系的鐵電極性研究還沒有報導。為建立局域尺度鐵電極性、離子遷移、和光伏遲滯的可能關聯，研究組採取中科院深圳先進院所發展的非線性原子力顯微方法，通過一倍頻和二倍頻的力電耦合效應對比，分辨鐵電極化和離子遷移的相對貢獻。他們發現在光照下，一倍頻響應顯著增加，相應的品質因子有所增強，而共振頻率略有降低，顯示光致鐵電極化增強效應。而所對應的二倍頻響應沒有顯著改變，顯示光照並未引起顯著的離子遷移。
為揭示極化增強的可能影響，研究組進一步發展局域光電流顯微方法，在一系列偏壓之下成像光電流分布，並通過主成分分析重構納米尺度局域的JV曲線，發現遲滯很低 ，顯示即使在存在鐵電極性的情況下，鐵電極化對光伏遲滯仍然沒有大的影響。這一納米尺度的局域關聯，也被宏觀器件測試所證實。因此，這一研究表明我們可以通過鐵電極化的設計，提升其光生載流子分離效率，而不必擔心其對光伏遲滯的不利影響。
這一研究進一步顯示了離子運動是影響鈣鈦礦太陽能電池性能的關鍵因素，對光伏遲滯和電池穩定性都有重要的影響。在此前的一篇Nature Communications論文中，研究組與北京大學電鏡中心合作，揭示了雜化鈣鈦礦退化降解為PbI2的原子尺度路徑。特別值得一提的是，他們發現降解過程中缺陷有序超結構的存在。能否穩定該超結構，可能是提升電池穩定性的關鍵。而超結構本身，也可能帶來一些新穎有趣的性能。相關研究，正在進行中。
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