Nature子刊：钙钛矿纳米晶体显示出了载流子倍增效应

导读：

钙钛矿是一类在纳米技术，尤其是在纳米结构太阳能电池技术中显示出极具应用前景特性的晶体。然而迄今为止，科学家们从未在钙钛矿中未观察到载流子倍增效应，这是一种能够使材料在将光能转换成电能方面更高效的特性。

由荷兰阿姆斯特丹大学IoP物理学家Chris de Weerd博士和来自Tom Gregorkiewicz教授课题组的Leyre Gomez博士领导的新研究表明，某些钙钛矿材料实际上确实具有这种理想的性质，他们的研究以"Efficient carrier multiplication in CsPbI3 perovskite nanocrystals"为题发表在Nature Communications杂志上。

晶体是原子、分子或离子的结构形式，它们拥有着在所有方向上晶格重复排列的结构。 我们在日常生活中都曾遇到过一些晶体结构：例如普通的盐、钻石甚至是雪花。 但是可能不太为人所熟知的是，当某些晶体的尺寸不是我们日常生活中肉眼可见的尺寸，而是在微观尺度上的纳米尺寸（几十亿分之一米）时，某些晶体往往会显示出一些非常有趣的特性。 当我们的研究深入到纳米晶体的世界时，这些结构在微小规模的构建技术应用中将非常有用。

钙钛矿，这种以19世纪俄罗斯矿物学家Lev Perovski命名的特殊材料系列，都具有着相同的晶体结构。这些钙钛矿材料具有许多理想的电子特性，这使得它们可用于构造例如LED、电视屏、太阳能电池和激光器等一些光学消费品。 因此，在过去的几年里，物理学家们对钙钛矿进行了广泛而深入的研究。

载波乘法

目前还没有证据显示钙钛矿中存在的性质是载流子倍增效应。当像太阳能电池一样的半导体材料将光能转换为电能时，通常一次只使用一个粒子：一个单一的激发光子产生一个激发电子（以及电子相对应的'空穴'）可以携带电流。然而，在某些材料中，如果能量充足，则可以激发更多的电子-空穴对;正是这个电子-空穴对的多激发过程被称为载波乘法。

当载波倍增效应发生时，从光到电的转换可以变得更加高效。例如，在普通的太阳能电池中，对于能够以这种方式转换的能量效率存在理论限制（即所谓的Shockley-Queisser限制机制）：理论上太阳能的光电转化效率最多只有约33％。然而，在具有载流子倍增效应的半导体纳米晶体中，预测最高光电转换效率高达44％。

这使得在钙钛矿中寻找载流子倍增效应变得非常有趣，这正是荷兰阿姆斯特丹大学IoP物理学家Chris de Weerd博士和来自Tom Gregorkiewicz教授课题组的Leyre Gomez博士合作在做的事情。 在Yasufumi Fujiwara教授和他们在日本筑波的AIST国家研究所和代尔夫特理工大学的同事们的共同支持下完成了该项研究。

研究人员表示，通过使用光谱学方法，即在对所研究的材料进行一次闪光灯短暂照射后，由铯、铅和碘制成的钙钛矿纳米晶体确实显示出载体倍增。此外，他们认为这种效应所影响的材料光电转化效率高于迄今为止所报告的任何其他材料的转化效率。因此，通过这一发现，钙钛矿的非凡特性得到了新的推动。

De Weerd上周根据这项研究和其他研究成功地为她的博士论文辩护说: “到目前为止，钙钛矿没有被报道过载波倍增效应。我们现在发现它对即将推出的材料有着重大的根本影响。 例如，这表明钙钛矿纳米晶体可用于构建非常有效的光电探测器，并在未来可能用于制造更高效的太阳能电池。”