近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院及合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心(ICQD)趙瑾教授研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池電子空穴復(fù)合機(jī)理研究工作中取得新進(jìn)展，他們利用團(tuán)隊(duì)自主發(fā)展的第一性原理激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)程序，揭示了低頻振動(dòng)聲子在電子空穴復(fù)合機(jī)制中的重要作用，該結(jié)果以“Low-frequency lattice phonons in halide perovskites explain high defect tolerance toward electron-hole recombination.” 為題，發(fā)表在Science Advances上，第一作者褚維斌在合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心取得博士學(xué)位，趙瑾教授與匹茲堡大學(xué)Wissam A. Saidi教授為共同通訊作者。

半導(dǎo)體材料缺陷與雜質(zhì)如何影響電子空穴復(fù)合是這個(gè)領(lǐng)域的重要科學(xué)問(wèn)題。早在19世紀(jì)50年代，著名的科學(xué)家Shockley, Read和Hall就提出了Shockley-Read-Hall (SRH)模型，在這個(gè)模型中，他們認(rèn)為能量位于能隙中間的“深能級(jí)”會(huì)形成電子-空穴復(fù)合中心，多年來(lái)，半導(dǎo)體科學(xué)界的許多科學(xué)家都在使用這個(gè)簡(jiǎn)單的判據(jù)。然而，在SRH模型中，電聲耦合效應(yīng)并沒(méi)有被考慮進(jìn)來(lái)，而電聲耦合卻是電子空穴通過(guò)非輻射躍遷復(fù)合的決定性因素。在本工作中，趙瑾教授研究團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的第一性原理激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)軟件Hefei-NAMD研究了鉛鹵鈣鈦礦電池MAPbI3中缺陷對(duì)電子空穴復(fù)合的影響，準(zhǔn)確地考慮了電聲耦合、能級(jí)差、原子運(yùn)動(dòng)速度、電子退相干、載流子濃度等因素，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)體系中，缺陷并不會(huì)形成電子空穴復(fù)合中心，出現(xiàn)了SRH模型完全失效的情況。通過(guò)定量的電聲耦合分析發(fā)現(xiàn)，由于材料硬度低，無(wú)論有沒(méi)有缺陷，對(duì)電子空穴復(fù)合有貢獻(xiàn)的聲子都是低頻聲子，對(duì)應(yīng)的非絕熱耦合量小，使電子空穴復(fù)合變慢，這也是鉛鹵鈣鈦礦電池雖然有很多缺陷，卻仍然擁有較好的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率的原因。


圖片說(shuō)明：鉛鹵鈣鈦礦太陽(yáng)能電池體系中缺陷不能形成電子空穴復(fù)合中心。(a) 電子空穴通過(guò)缺陷復(fù)合示意圖；(b) 2 ns之內(nèi)不同體系電子空穴復(fù)合概率；(c)電子空穴直接復(fù)合概率；(d)電子空穴通過(guò)缺陷復(fù)合概率。

在本工作中，Wissam A. Saidi教授負(fù)責(zé)體系缺陷結(jié)構(gòu)的搭建及基態(tài)的計(jì)算，趙瑾教授課題組負(fù)責(zé)激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。本工作是Hefei-NAMD軟件的又一重要應(yīng)用，自2016年起，利用該軟件發(fā)表的學(xué)術(shù)論文已接近30篇（http://staff.ustc.edu.cn/~zhaojin/code.html）

本工作受到基金委、科技部、安徽省等單位的支持。