半導(dǎo)體缺陷對(duì)鈣鈦礦性能影響到底有多大？

1. 簡(jiǎn)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(wú)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(huì)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(píng)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(cuò)，但我們證明了這種缺陷是鹵化鈣鈦礦中的一個(gè)問題。”

在過去的十年中，對(duì)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(yáng)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(dòng)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(shí)間長(zhǎng)度。為了為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換提供良好的前景，材料中的電子必須保留足夠長(zhǎng)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(zhǎng)期以來(lái)，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(cuò)位的錯(cuò)配對(duì)效率沒有太大影響。蕞近的研究對(duì)這種假設(shè)提出了質(zhì)疑，并發(fā)現(xiàn)某些缺陷確實(shí)會(huì)影響晶體性能的各個(gè)方面。

Shi的團(tuán)隊(duì)測(cè)試了晶體位錯(cuò)的缺陷是否會(huì)通過在兩種不同基板上生長(zhǎng)晶體來(lái)影響載流子動(dòng)力學(xué)。一種基材在沉積時(shí)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(cuò)密度。另一個(gè)具有較弱的相互作用并且產(chǎn)生較低的位錯(cuò)密度。

圖2  鈣鈦礦光電器件的性能

結(jié)果表明，位錯(cuò)對(duì)鹵化物鈣鈦礦的載流子動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生負(fù)面影響。發(fā)現(xiàn)將位錯(cuò)密度降低一個(gè)以上數(shù)量級(jí)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(cuò)效應(yīng)，” Shi表示。“我們需要注意鈣鈦礦鹵化物中的位錯(cuò)，這是人們?cè)谘芯窟@種材料時(shí)一直忽略的一個(gè)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(duì)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(gè)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)。