南京大學王華兵、余林蔚教授ACS Nano：徑向結超高分辨光電響應研究工作

【前言】

開發高效、輕便、低成本和柔性光伏技術是探索新一代光電能源、探測和可穿戴電子應用的關鍵基礎之一，近年來受到廣泛的學術和產業關注。通過三維納米框架設計，制備高效徑向結（Radial Junction，RJ）光電轉換器件，是獲得超強陷光特性、快速電荷收集和實現優異耐彎折力學特性的有效手段。然而，三維光電結構的優化設計涉及遠比平面電池結構更為豐富的空間調控自由度，徑向結納米線森林（Nanowire?Forest）中光影交錯的背后隱藏著復雜的光電轉換現象—而目前還缺少直接可靠的高分辨光電響應實驗數據。尤其對于可低成本、大面積制備的隨機納米線徑向結光電結構，關于其中最優的響應結構、區域和機理一直還存在爭議。

【成果簡介】

針對此關鍵科學問題，并為后續結構優化提供有力依據，南京大學電子科學與工程學院王華兵教授和余林蔚教授合作，利用自行研制、原用于表征低溫電子器件的激光掃描顯微鏡，采用高分辨激光掃描局域光電響應測試（laser excitation photoelectric microscope，LEPM）技術，對構建于硅納米線叢林之上的三維非晶硅徑向結電池結構進行了深入研究。首次在最貼近正常電池工作環境的條件下，實現了空間分辨率<600 nm的高分辨光致電流和電壓響應掃描，揭示了以往難以探測的微觀結構缺陷對局域光電響應的影響。更為重要的是，利用高分辨光電探測能力，第一次在三維徑向結叢林中解析了最強光電響應區域的分布，實驗發現：最優光電響應區域與徑向結的位置呈現明顯的負相關分布，而過去通常認為徑向結頂部光入射才是實現強廣場耦合以及光電響應的最佳位置。進一步理論模擬和有限元分析發現，這一現象主要來源于光場在三維叢林結構中的獨特散射和吸收特性，導致在納米線的周圍或之間的區域可以實現比頂入射更為高效的“陷光特性”，其效果比以往關注的“納米腔模式增強吸收”的貢獻更為顯著，從而導致在密度適當的叢林空地中出現獲得更強的局部吸收和光電響應。而此現象隨著納米線叢林密度的降低，三維陷光特性減弱，又將逐步回歸到頂入射（腔模式耦合主導）吸收最強的情況。此項研究為進一步優化三維構架微納光電結構，開發高性能柔性光伏和光電探測器件應用提供了重要的實驗依據和關鍵理論基礎。

【圖文導讀】

圖1：高分辨激光掃描局域光電響應測試（LEPM）平臺示意圖以及形貌和光電響應圖。?

以上研究成果近期發表在《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) 其中張慧麗和雷亞奎同學是相同貢獻作者，余林蔚教授和王華兵教授為共同通訊作者。相關工作得到了南京大學吳培亨院士和徐駿教授的大力支持和指導。該項研究工作受到國家千人計劃，國家自然科學基金，江蘇省杰出青年基金和雙創人才計劃資助。

本文由南京大學余林蔚教授課題組供稿。

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