弯曲电学畴壁在立方钙钛矿中实现电荷分离与传输

这对未来太阳能意味着什么

由铅卤化物钙钛矿制成的太阳能电池效率突飞猛进，可与硅媲美，同时成本更低、加工更容易。然而，它们的内部机理仍令人困惑：激发的光生电荷寿命极长、迁移距离很远，尽管晶体中充满缺陷。本文揭示了秘密所在——那些看不见的内部边界像微小的内置电力线一样，悄悄地引导并保护材料内部的电荷。

“简单”晶体内部的隐秘结构

理论上，此处研究的钙钛矿——溴化甲胺铅（MAPbBr3）在室温下应具有结构上的简单性与高度对称性。在如此完美的立方晶体中，光应当在各个方向上传播一致。然而作者发现，真实晶体会根据方向不同地弯曲和分裂光，这种性质称为双折射。这立即表明晶体并不像教科书所示那样完全对称，暗示存在内建应变和常规测量容易忽略的内部结构。

揭示一片片微小的受应变区域

为了弄清这种隐藏的各向异性来源，团队采用了一种巧妙的电化学染色方法。他们将银离子驱入晶体；这些离子在晶格受应变的地方天然沉积并形成微小的金属团块。在显微镜下，银沿着相对于晶轴的特定角度绘出复杂如树状的图案。这些图案暴露出一张密集的“铁弹性畴”网络——由略有不同内应变的微小区域组成，彼此由称为畴壁的狭窄边界分隔。晶体不是处处平滑变形，而是在每个畴内大致均匀，只有在这些畴壁处应变发生突变。

像内置电池一样工作的畴壁

当应变在畴壁处剧烈变化时，基本物理学预测会出现电极化，这一现象称为弯曲电学。作者通过在晶体体内（远离任何金属接触）用短促而强烈的红外激光脉冲产生电子和空穴，来测试这些畴壁是否携带内部电场。即使在没有施加电压的情况下，他们也检测到可测的光电流，其方向取决于光聚焦在晶体内部的具体位置。这种行为与在畴壁处产生的内部电场一致：畴壁将正负电荷分别推向相反方向，形成局部电压阶，能够在整体样品不发生净电荷迁移的情况下驱动位移电流。

电荷为何寿命长且迁移远

通过重建光电流的时间轮廓，研究者揭示了一个两阶段过程。激发后立即，电荷向畴壁奔赴并被内部场拉向相反一侧，迅速建立极化。随后，与迅速复合不同，许多被分离的电荷在数百微秒或更长时间内滞留——远远超过其他技术测得的束缚激子寿命。电流衰减异常缓慢，其时序模式符合跨越随电荷在壁上累积而逐渐变化的能垒的隧穿过程。本质上，畴壁表现为使电子与空穴分开的能量屏障，迫使它们在相遇并湮灭前须通过隧穿。处于这种分离状态时，电荷仍可沿着畴壁移动，把这些边界变为类一维的电荷传输通道。

用内部高速公路设计更优太阳能电池

这项工作解决了钙钛矿如何同时表现出非常快的局部复合与异常远程电荷传输这一长期矛盾。关键不在于整个晶体某种奇异的均匀性质，而是在狭窄区域内破坏反演对称性的弯曲电学畴壁。这些畴壁提供空间分离以抑制复合，同时允许电荷沿其传输，从而支持对高效光能收集至关重要的大扩散长度。作者认为，控制此类畴壁的密度、取向与性质，可能成为下一代钙钛矿器件的重要设计杠杆——将关注点从改变材料化学成分转向工程其内部中尺度结构。

引用: Rak, D., Lorenc, D., Balazs, D.M. et al. Flexoelectric domain walls enable charge separation and transport in cubic perovskites. Nat Commun 17, 946 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68660-5

关键词: 钙钛矿太阳能电池, 弯曲电学, 畴壁, 电荷传输, 光电流