有机无机杂化钙钛矿被视为当前最具潜力的新一代高效光伏材料之一。其最新的太阳能转化效率更是高达25%，可与传统的单晶硅电池相媲美。尤其值得一提的是，杂化钙钛矿仅用了十年左右的时间就实现了其他传统的太阳能电池材料花了近半个世纪才达到的效率。因而，理解杂化钙钛矿优异性能表现背后的微观机制不仅有助于进一步提高其效率，更有望为设计高性能半导体提供全新的思路和策略。

2018年，美国Los Alamos国家实验室Mohite研究组及其合作者在Science杂志发文报道了一个非常有意思但同时也相当令人困惑的实验现象[H. Tsai et al., Science 360, 67 (2018)]。他们发现在连续光照的情形下，杂化钙钛矿会发生显著的晶格膨胀（大约1.4%），并进而将钙钛矿太阳能电池的转化效率提高了几个百分点。尽管这篇报道吸引了非常多的后续研究，但这一令人困惑的实验现象的根源一直没有得到深刻的阐释。近日，北京计算科学研究中心的张燮与魏苏淮教授通力合作，在Physical Review Letters上发文很好地解决了这一悬而未决的问题 [X. Zhang and S.-H. Wei, Phys. Rev. Lett. 128, 136401 (2022)]。

他们通过对典型的杂化钙钛矿FAPbI3进行精确的第一性原理计算发现，仅1%的晶格膨胀就可以使得载流子非辐射俘获系数降低一个数量级。尤其意想不到的是，非辐射复合的抑制与通常大家假设的机制（如晶格膨胀引起的带隙或缺陷能级的变化）基本无关，而事实上是由于晶格膨胀之后缺陷在进行价态转变时结构驰豫增强，从而提高了缺陷对载流子俘获的势垒。这些重要的认知不仅可以很好地解释了光照导致杂化钙钛矿太阳能电池效率提升的实验现象，更提供了一种通过光和晶格相互作用来调控光电材料中载流子非辐射复合的新方法。

图1. （a）晶格膨胀对缺陷转变能级和非辐射捕获系数影响规律的示意图。（b）晶格膨胀对碘间隙缺陷电子捕获势垒影响规律的示意图。

参考文献:

[1] X. Zhang and S.-H. Wei, Origin of Efficiency Enhancement by Lattice Expansion in Hybrid-Perovskite Solar Cells, Phys. Rev. Lett. 128, 136401 (2022).

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.136401