半導(dǎo)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(rèn)為與性能無關(guān)的缺陷，可以改善有前途的半導(dǎo)體材料 。倫斯勒理工學(xué)院和其他大學(xué)的一組研究人員表明，特定的半導(dǎo)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(diǎn)，可以評估電子的壽命

圖片提供：倫斯勒理工學(xué)院

材料科學(xué)工程副教授Jian Shi表示：“半導(dǎo)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(guān)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(zhuǎn)換為電能迅速提高到25％（相當(dāng)于蕞仙進(jìn)的硅太陽能電池）。研究人員與硅搏斗了數(shù)十年，以達(dá)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(xué)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。

長期以來，這種材料一直被認(rèn)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(xué)錯位的錯配對效率沒有太大影響。蕞近的研究對這種假設(shè)提出了質(zhì)疑，并發(fā)現(xiàn)某些缺陷確實(shí)會影響晶體性能的各個方面。

Shi的團(tuán)隊(duì)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(xué)。一種基材在沉積時與鹵化鈣鈦礦具有很強(qiáng)的相互作用，從而產(chǎn)生更高的位錯密度。另一個具有較弱的相互作用并且產(chǎn)生較低的位錯密度。

圖2  鈣鈦礦光電器件的性能

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

3. 結(jié)論

“結(jié)論是鹵化鈣鈦礦具有與常規(guī)半導(dǎo)體缺陷類似的位錯效應(yīng)，” 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(xiàng)重要工作揭示了壓力對這種半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)的作用，該物質(zhì)在2018年《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表。

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