半導體缺陷對鈣鈦礦性能影響到底有多大？

1. 簡介

根據(jù)發(fā)表在《自然通訊》上的研究，如果減少以前認為與性能無關的缺陷，可以改善有前途的半導體材料 。倫斯勒理工學院和其他大學的一組研究人員表明，特定的半導體缺陷會影響鈣鈦礦鹵化物保持電子形式的光能的能力。

2. 如何影響鈣鈦礦鹵化物性能

圖1  通過分析圖中垂直凸脊所具有的鈣鈦礦晶體上的綠色照明點，可以評估電子的壽命

圖片提供：倫斯勒理工學院

材料科學工程副教授Jian Shi表示：“半導體中的缺陷可能是好事，也可能是壞事。” “由于某些原因，人們沒有關注鹵化鈣鈦礦中的位錯，但我們證明了這種缺陷是鹵化鈣鈦礦中的一個問題。”

在過去的十年中，對鹵化鈣鈦礦的研究已將材料的效率從大約3％的光能轉換為電能迅速提高到25％（相當于蕞仙進的硅太陽能電池）。研究人員與硅搏斗了數(shù)十年，以達到該材料目前的效率水平。

鈣鈦礦鹵化物還具有良好的載流子動力學，其粗略定義為材料吸收的光能以激發(fā)電子的形式保留的時間長度。為了為太陽能轉換提供良好的前景，材料中的電子必須保留足夠長的能量，以被附著在材料上的電極收集，從而完成光到電能的轉換。

長期以來，這種材料一直被認為是“耐缺陷的”，這意味著諸如原子缺失，晶體晶粒上的次品鍵之類的缺陷以及稱為晶體學錯位的錯配對效率沒有太大影響。蕞近的研究對這種假設提出了質疑，并發(fā)現(xiàn)某些缺陷確實會影響晶體性能的各個方面。

Shi的團隊測試了晶體位錯的缺陷是否會通過在兩種不同基板上生長晶體來影響載流子動力學。一種基材在沉積時與鹵化鈣鈦礦具有很強的相互作用，從而產生更高的位錯密度。另一個具有較弱的相互作用并且產生較低的位錯密度。

圖2  鈣鈦礦光電器件的性能

結果表明，位錯對鹵化物鈣鈦礦的載流子動力學產生負面影響。發(fā)現(xiàn)將位錯密度降低一個以上數(shù)量級可導致電子壽命增加四倍。

3. 結論

“結論是鹵化鈣鈦礦具有與常規(guī)半導體缺陷類似的位錯效應，” Shi表示。“我們需要注意鈣鈦礦鹵化物中的位錯，這是人們在研究這種材料時一直忽略的一個因素。”

Shi在鹵化物鈣鈦礦上的蕞后一項重要工作揭示了壓力對這種半導體的光學性質的作用，該物質在2018年《科學進展》上發(fā)表。

在倫斯勒（Rensselaer），材料科學與工程系和物理，應用物理與天文學系的研究人員加入了這個團隊。昆明科技大學，清華大學，北京科技大學，Forschungszentrum Julich和布朗大學的研究人員也為這項研究做出了貢獻。