南京大学王华兵、余林蔚教授ACS Nano：径向结超高分辨光电响应研究工作

【前言】

开发高效、轻便、低成本和柔性光伏技术是探索新一代光电能源、探测和可穿戴电子应用的关键基础之一，近年来受到广泛的学术和产业关注。通过三维纳米框架设计，制备高效径向结（Radial Junction，RJ）光电转换器件，是获得超强陷光特性、快速电荷收集和实现优异耐弯折力学特性的有效手段。然而，三维光电结构的优化设计涉及远比平面电池结构更为丰富的空间调控自由度，径向结纳米线森林（Nanowire Forest）中光影交错的背后隐藏着复杂的光电转换现象—而目前还缺少直接可靠的高分辨光电响应实验数据。尤其对于可低成本、大面积制备的随机纳米线径向结光电结构，关于其中最优的响应结构、区域和机理一直还存在争议。

【成果简介】

针对此关键科学问题，并为后续结构优化提供有力依据，南京大学电子科学与工程学院王华兵教授和余林蔚教授合作，利用自行研制、原用于表征低温电子器件的激光扫描显微镜，采用高分辨激光扫描局域光电响应测试（laser excitation photoelectric microscope，LEPM）技术，对构建于硅纳米线丛林之上的三维非晶硅径向结电池结构进行了深入研究。首次在最贴近正常电池工作环境的条件下，实现了空间分辨率<600 nm的高分辨光致电流和电压响应扫描，揭示了以往难以探测的微观结构缺陷对局域光电响应的影响。更为重要的是，利用高分辨光电探测能力，第一次在三维径向结丛林中解析了最强光电响应区域的分布，实验发现：最优光电响应区域与径向结的位置呈现明显的负相关分布，而过去通常认为径向结顶部光入射才是实现强广场耦合以及光电响应的最佳位置。进一步理论模拟和有限元分析发现，这一现象主要来源于光场在三维丛林结构中的独特散射和吸收特性，导致在纳米线的周围或之间的区域可以实现比顶入射更为高效的“陷光特性”，其效果比以往关注的“纳米腔模式增强吸收”的贡献更为显著，从而导致在密度适当的丛林空地中出现获得更强的局部吸收和光电响应。而此现象随着纳米线丛林密度的降低，三维陷光特性减弱，又将逐步回归到顶入射（腔模式耦合主导）吸收最强的情况。此项研究为进一步优化三维构架微纳光电结构，开发高性能柔性光伏和光电探测器件应用提供了重要的实验依据和关键理论基础。

【图文导读】

图1：高分辨激光扫描局域光电响应测试（LEPM）平台示意图以及形貌和光电响应图。 

以上研究成果近期发表在《ACS Nano》上Nanoscale photovoltaic responses in 3D radial junction solar cells revealed by high spatial resolution laser excitation photoelectric microscopy, ACS Nano, accepted & online, DOI: 10.1021/acsnano.9b04149 (2019) 其中张慧丽和雷亚奎同学是相同贡献作者，余林蔚教授和王华兵教授为共同通讯作者。相关工作得到了南京大学吴培亨院士和徐骏教授的大力支持和指导。该项研究工作受到国家千人计划，国家自然科学基金，江苏省杰出青年基金和双创人才计划资助。

本文由南京大学余林蔚教授课题组供稿。

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