最新Nature子刊综述：光伏缺陷容忍半导体的桥接理论和实验
最新Nature子刊综述：光伏缺陷容忍半导体的桥接理论和实验
光伏材料的缺陷容忍性是决定其性能的关键因素之一。近日，Nature子刊发表综述文章，系统阐述了缺陷容忍半导体在光伏应用中的理论和实验进展。文章从定义、评估方法到具体材料应用，为光伏材料的研究提供了重要参考。
埃尔兰根-恩堡亚历山大大学Wolfgang Heiss等人描述了缺陷容忍的概念，并探讨了其在缺陷容忍半导体材料用于光伏器件中的应用。缺陷容忍是指半导体材料即使存在晶体缺陷也能保持其性能的特性，常见于铅卤钙钛矿等材料。尽管缺陷容忍是铅卤钙钛矿太阳能电池优异性能的原因之一，但其是否为唯一原因仍存在争议。本文首先介绍了缺陷容忍的定义，并着重分析了缺陷容忍半导体的理论评估和实验验证方法。
缺陷容忍半导体的光伏应用
本文讨论了缺陷容忍半导体在光伏应用中的理论和实验方面的进展，并探讨了如何桥接两者之间的差距。
缺陷容忍的定义与实验验证
缺陷容忍是指一种现象，即即使存在晶体缺陷，材料也能保持其特性。作者认为，缺陷容忍的定义应该考虑缺陷类型、缺陷来源、缺陷浓度范围以及缺陷对材料的影响等方面。作者还讨论了现有的几种评估缺陷容忍的实验方法，例如正电子湮没寿命谱、霍尔迁移率测量、发光实验等。
预测的缺陷容忍半导体
作者列举了一些具有理论预测或实验验证的缺陷容忍特性的半导体材料，例如甲胺铅碘（MAPbI3）、铅碲（PbTe）、铅硒 / 砷化镓（PbSe/GaAs），以及一些量子点材料，如硫化铅（PbS）和硒化铜铟（CuInSe2）等。作者还讨论了其他一些潜在的缺陷容忍材料，例如二碘化铟（InI）、硫碘化锑（SbSI）、硒化锑（Sb2Se3）等。
理论评估
作者介绍了利用密度泛函理论（DFT）计算缺陷性质的计算方法，并详细阐述了缺陷形成能、电荷跃迁能级、捕获系数以及非辐射复合率等计算方法。作者还分析了 DFT 计算结果与实验结果之间的联系，并指出了 DFT 计算方法的局限性。
实验方法
作者概述了多种用于研究半导体材料缺陷容忍性的实验方法，例如光致发光量子产率（PLQY）、开路电压（Voc）、时间分辨光致发光（tr-PL）、热导纳谱（TAS）、深能级瞬态谱（DLTS）等。
理论与实验的联系
作者以 MAPbI3 和 CsPbI3 为例，比较了理论计算结果和实验测量结果，分析了捕获率和发射率的相关性。作者指出，目前仍然存在理论和实验结果之间的差距，需要更深层次的研究来弥合两者之间的差异。
作者建议，未来研究应该更加重视理论与实验的结合，利用高通量计算和实验方法筛选出具有缺陷容忍特性的新型半导体材料，为下一代高效光伏器件的发展提供理论和实验基础。
缺陷容忍：评估半导体材料的可靠指南
本文详细介绍了评估半导体材料缺陷容忍度的方法，并强调了实验和理论方法相结合的重要性。
区分表面缺陷和体缺陷的重要性
为了准确评估缺陷容忍度，必须区分表面缺陷和体缺陷。通过研究单晶而不是多晶层，可以有效地抑制构象或结构缺陷。然而，表面缺陷的识别则需要专门的实验方法。双光子光致发光实验对于研究单晶中的复合速率非常重要，因为它可以避免表面态的影响。
综合实验和理论方法
为了全面理解材料的缺陷容忍度，需要综合考虑温度相关的实验方法，例如复合速率、俘获速率和寿命，以及电容法等。这些实验数据需要与定制的理论模型相结合，以获得更准确的评估。
高效的缺陷容忍度评估策略
本文提出了一种实用策略，利用高通量方法来评估缺陷容忍度。光致发光量子产率 (PLQY) 测量提供了一个良好的起点，因为该方法无需接触或复杂的拟合算法。然而，需要表面钝化来消除表面和体效应的影响，并允许对理论结果进行直接比较。
利用瞬态光致发光和密度泛函理论 (DFT) 计算
瞬态光致发光测量可以提供有关陷阱密度、俘获速率和释放速率的信息，可以用于识别相关陷阱。而 DFT 计算可以确定缺陷构型和电子或空穴俘获的可能转变，帮助识别参与非辐射复合的缺陷。
综合实验结果和理论计算
通过结合实验和理论方法，可以更准确地评价材料的缺陷容忍度。例如，可以将瞬态光致发光测量结果与计算的复合速率进行比较，以验证陷阱辅助复合是否存在。
总的来说，本文讨论了材料科学领域中一个重要的概念 ——“缺陷容忍性”，并主要关注了缺陷对少数载流子寿命的影响。文章探讨了对缺陷容忍性定义的演变，深入分析了不同的缺陷类型、缺陷对材料性质的影响以及实验验证方法，并针对不同材料系统的缺陷容忍特性做出了总结。文章强调了理论与实验相结合的重要性，并提出了一套完善的框架，用于识别和定量评估缺陷容忍性。此外，文章还提出了未来研究方向，包括开发新型缺陷容忍材料、提高理论计算精度以及更加精准的实验方法。
Hammer, M.S., Schlott, H., Lüer, L. et al. Bridging theory and experiment in defect-tolerant semiconductors for photovoltaics. Nat Rev Mater (2025).