PRL：卤化物钙钛矿的挠曲体光伏效应及超带隙光电压

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光伏效应需要打破空间反演对称性，使得光生载流子具有优先的流动方向，形成光电流。其中，通过晶格对称性破缺使电子-空穴对形成位移电流的方式被称为“体光伏效应”。而任何晶体的对称性，无论是压电晶体还是中心对称晶体，都可以被应变梯度破坏，即挠曲电效应。通过应变梯度使材料极化，可以实现梯度诱导的体光伏效应，即挠曲光伏效应。

近日，来自南昌大学物理与材料学院舒龙龙教授及其合作者，量化了挠曲电光伏效应的数值，并获得了大于带隙的挠曲电光伏电压。相关成果以“Flexophotovoltaic effect and above-bandgap photovoltage induced by strain gradients in halide perovskites《卤化物钙钛矿的挠曲体光伏效应及超带隙光电压》”为题在物理学顶级期刊Physical Review Letters上发表，并入选当期Editors’ Suggestion编辑推荐文章。同时美国物理学会官网《APS物理》邀请合肥国家实验室杨明敏教授以“Harness Strain to Harvest Solar Energy”为题对该论文进行了观点（Viewpoint）专题报道。

在传统的太阳能电池中，通过界面构建p-n结打破空间反演对称性，形成光电流，但其大小受Shockley–Queisser极限的限制。令人兴奋的是，这种限制在通过晶体非中心对称结构诱导的体光伏效应中可以被打破。目前广泛报道的体光伏效应主要存在于以BiFeO₃、BaTiO₃为代表的压电材料中，可以实现超越材料带隙的光伏电压，但也存在材料选择受限、光伏效率低的局限性。挠曲电是近年来在功能材料领域逐渐兴起的新型力电耦合效应，该物理效应具有不受材料对称性约束和小尺寸效应等优势。在这种背景下，我们自然地希望利用挠曲电来实现体光伏效应，如果存在这种效应，基于挠曲电效应的体光伏效应能够大到什么程度？

针对上述疑问，研究人员给出了答案，挠曲电诱导的体光伏效应不仅存在，而且还可以产生大于带隙的光伏电压。在该研究中，研究人员使用弯曲单悬臂梁方式产生应变梯度以诱导挠曲电极化。光照条件下得到SrTiO₃和MAPbBr₃的挠曲光伏电压系数（开路光电压与应变梯度的比值）分别为-3×10^-3V/m^-1和-1.3 V/m^-1。同时光电压和光电流对光偏振角的90度依赖性标示着挠曲光伏是一种体光伏效应。另一方面，对于另一光伏原型材料MAPbI₃不仅具有原生体光伏效应，在弯曲晶体同样可以改变其光伏输出，即存在挠曲光伏效应。这表明挠曲光伏效应可以与其他体光伏效应共存。同时，开路光电压作为预极化电场的函数，显示出类似于铁电的电滞回线现象，说明极化电压可以像在铁电材料中一样调节MAPbI₃的光伏输出的幅值和符号。最后，研究人员通过原子力显微镜探针诱导更大的局部应变梯度，在对MAPbBr₃微晶施加10 mN量级的力时，开路光电压达到4 V（带隙为2.3 eV），验证了挠曲光伏效应同样可以单独诱导出带隙以上的光电压，进一步支持了体效应特性。该研究工作表明在光伏材料中，应变梯度工程将有望作为一个强大的工具，极大提升光伏的输出。