混合二維／三維鈣鈦礦中的光致載流子阻塞機制示意圖
澳門大學應用物理及材料工程研究院教授邢貴川的團隊聯合深圳大學蘇陳良教授的團隊揭示了提高混合二維／三維鈣鈦礦體系光電轉換的效率和穩定的關鍵因素，從而提高有關太陽能電池的商業應用價值。該研究成果已發表於國際知名學術期刊《自然-通訊》（Nature Communications）。
近十多年來，鹵化物鈣鈦礦憑借其優異的半導體特性成為光伏領域的研究前沿。傳統鹵化物鈣鈦礦擁有ABX3型三維晶體結構，以其為光敏層的單結太陽能電池已經實現高達25.7%的認證效率。然而，傳統三維鈣鈦礦面臨穩定性問題。維度調控被證明是一種有效的應對策略，在低維衍生物中，二維鈣鈦礦被廣泛證明具有比三維鈣鈦礦更高的穩定性。混合二維／三維鈣鈦礦薄膜被認為有望結合二維鈣鈦礦在穩定性方面的優勢和三維鈣鈦礦在光轉換方面的優勢。此外，二維鈣鈦礦中有害的離子遷移被抑制，並且通常能有效鈍化三維鈣鈦礦在晶界與表面處的缺陷。因此，混合二維／三維鈣鈦礦太陽能電池吸引了廣泛的關注。然而，長期以來，其能量轉換效率始終低於預期，極大地限制了其商業應用，而背後的限制機制尚不清楚。
有鑒於此，兩校的研究團隊進行研究並首次揭示了混合二維／三維鈣鈦礦體系中獨特的光致載流子阻塞效應。研究發現，在黑暗條件下，二維鈣鈦礦組分不會阻礙載流子的傳輸；而在光照條件下，二維／三維鈣鈦礦界面的內建電場會增強，結合其鑲嵌式的相分佈規律，導致光生電子的傳輸被光致勢壘阻礙，而光生空穴則被光生陷阱俘獲。這一機制很好地解釋了混合二維／三維鈣鈦礦太陽能電池短路電流和填充因子低的現象。這一機制的提出，為優化混合二維／三維鈣鈦礦太陽能電池的性能提供了新的理論指導。
該項研究的通訊作者為澳大應用物理及材料工程研究院邢貴川教授和深圳大學蘇陳良教授，論文的第一作者為澳大應用物理及材料工程研究院博士後研究只余德見。該研究由澳門特別行政區科學技術發展基金（0044/2020/A1、0082/2021/A2）和澳門大學多年度研究資助（MYRG2020-00151-IAPME）資助完成。