中國科大創制鈍化多孔光管理結構，破解鈣鈦礦二極管發光與光伏的權衡難題

日前，中國科學技術大學徐集賢教授團隊聯合美國科羅拉多大學博爾德分校Michael D. McGehee教授團隊，在鈣鈦礦光伏-發光二極管（PV-LED）雙功能器件領域取得重要進展。研究團隊提出了一種兼具界面鈍化與光學調控功能的多孔嵌入式光管理結構e-Al2O3，成功破解了鈣鈦礦二極管中發光與光伏性能長期存在的互易性矛盾，實現了同一器件中高效太陽能電池與高效發光二極管性能的協同突破。相關成果以“Passivated porous light-management structure resolves emission-photovoltaic trade-off in thick perovskite diodes”為題，于3月27日在線發表于期刊《焦耳》（Joule）。

根據細致平衡原理，光伏器件與發光器件在效率極限上存在互易性關系：電致發光外量子效率直接決定了其可達到的最大開路電壓與光電轉換效率。換言之，逼近輻射極限的高效光伏電池必然同時也是高效的發光二極管。這一基本物理認知，為通過提升器件發光效率來突破光伏效率瓶頸提供了根本依據。在III-V族單晶半導體（如砷化鎵）器件的發展歷程中，互易性關系已得到驗證——通過抑制非輻射復合、增強光子循環和光子提取，砷化鎵光伏電池的功率轉換效率與電致發光外量子效率同步接近理論極限。然而，在其他光電材料體系尤其是多晶材料體系中，如何同時實現高效發光與高效光伏轉換，仍是亟待解決的關鍵問題。

金屬鹵化物鈣鈦礦具有優異的光吸收、發光和載流子輸運特性，是當前高性能太陽能電池和發光二極管的重要半導體材料，為驗證和拓展互易性關系提供了理想平臺。然而，在同一器件中實現這一原理并非易事，尤其是在需要兼顧發光與光伏功能的厚膜鈣鈦礦二極管中。高性能鈣鈦礦LED通常依賴超薄或局部不連續的鈣鈦礦層以增強出光，而高性能太陽能電池則需要較厚且連續的吸收層以獲得充分的光吸收和高電流輸出，兩類器件在結構設計上存在明顯差異。此外，盡管光子循環已被證明是高輻射效率半導體逼近極限性能的重要機制，但在多晶厚膜鈣鈦礦器件中，如何在維持有效電荷傳輸的同時，通過結構設計協同提升光子循環與光子逃逸概率，仍然缺乏有效方案。

研究團隊通過靜電共組裝策略，構建了表面鈍化的低折射率多孔氧化鋁微米島結構，并將其嵌入器件的埋底界面。該結構在不影響電荷傳輸的前提下，同時實現了非輻射復合的抑制、光子逃逸的增強以及光子循環的利用，相關結論得到了理論與實驗的雙重驗證，確認了其普遍性。基于這一結構設計，團隊制備了厚度約為800 nm的鈣鈦礦二極管，在LED工作模式下實現了約31%的電致發光外量子效率，以及超過1200 W sr-1m-2的高輻亮度；此外，實現了低于帶隙電壓的驅動電壓，使得電致發光的能量轉換效率達到約32%。在光伏模式下，該器件的光電轉換效率為27.3%，并獲得26.7%的認證穩態效率，被美國國家可再生能源實驗室的效率紀錄表收錄。該結構也使得器件在PV和LED兩種模式下的工況穩定性都得到顯著增強。該工作首次在GaAs以外的光電材料中實現了高效的PV和LED雙功能器件驗證，證明了“非輻射復合抑制—光子逃逸增強—光子循環利用”協同增效理論模型的有效性，為鈣鈦礦光電器件同時逼近電致發光與光伏轉換的輻射極限提供了新的思路與設計原則。

中國科學技術大學化學與材料科學學院研究生毛凱天和蔡逢春為論文共同第一作者。中國科學技術大學徐集賢教授和美國科羅拉多大學博爾德分校Michael D. McGehee教授為通訊作者，中國科學技術大學樊逢佳教授為本論文的合作者。中國科學技術大學為論文的第一單位。本項目得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、教育部青年教師科研創新能力支持項目等基金資助。感謝國家同步輻射實驗室、上海光源同步輻射以及中國科學技術大學物理科學儀器中心提供的實驗平臺支持。

圖1 基于e-Al2O3結構的鈣鈦礦光電二極管展現PV-LED互易性

圖2 （A）e-Al2O3器件的截面SEM圖像。（B）LED模式性能對比圖。（C）器件非輻射復合性能測試。（D-E）1.54 eV和1.53 eV器件的認證光伏能量轉換效率。（F）PV-LED雙模式性能對比圖。