研究与进展：高分七号、微腔表面非线性光学、钙钛矿太阳能电池
发布时间：2020-11-17 阅读次数：5962
《物理评论快报》封面报道肖云峰教授、龚旗煌院士等在微腔表面非线性光学研究重要进展
近日，北京大学物理学院肖云峰教授与龚旗煌院士领导的研究团队在微腔非线性光学研究取得重要进展：首次实现有机分子修饰的二氧化硅光学微腔的高效三次谐波产生，比此前报道的二氧化硅微腔转换效率提高了四个量级，接近晶体微环腔三次谐波的最高转换效率。成果被《物理评论快报》以封面及编辑推荐形式亮点报道：Phys. Rev. Lett. 123, 173902 (2019)。论文题为“Microcavity Nonlinear Optics with an Organically Functionalized Surface” (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.173902)。
三阶非线性光学效应是现代光学研究和应用中最重要的非线性光学过程之一，被广泛应用于实现光频梳、全光开关和量子光源等。二氧化硅回音壁微腔由于具有超高的品质因子和成熟的制备工艺，已经成为是现代光子学研究的重要器件。然而，由于材料的限制，二氧化硅三阶光学非线性响应较弱于多数晶体材料，这严重地制约了二氧化硅微腔器件的性能。另一方面，有机共轭小分子具有离域的电子系统，在光场激发下，离域电子表现出很强的非谐振动，从而具有很高的非线性响应系数。同时，回音壁微腔的表面倏逝场为微腔与外界物质相互作用提供天然的通道。因此，采用表面修饰技术，光学微腔和高非线性响应的有机分子形成连结；有机分子通过表面倏逝场作用，有效地调控微腔系统的非线性效应，从而提高微腔器件的性能甚至可能突破微腔材料的限制。
在该项工作中，研究团队通过采用两步反应法，实现了二氧化硅微腔表面均匀地修饰有机分子层，既有效增强了微腔表面三阶非线性系数，同时保持了腔的高品质因子特性。实验中，研究者采用最近发展的动态相位匹配技术，即基于腔克尔效应和热效应补偿非线性频率转换过程中本征的相位失配，实现泵浦光和谐波频率与热腔模频率的共振匹配，最终实验上观测到三次谐波转换效率达到1680%/W2，比之前报道的二氧化硅微腔的最高转换效率提高了四个量级，接近目前晶体微环腔转换效率的最高值。研究者进一步地在实验上揭示了三次谐波的增强来自表面修饰的有机分子：微腔三次谐波/合频转换效率显著依赖于泵浦光偏振，平均输出功率对比度达到50倍，这是由于有机分子偶极取向导致的偏振依赖响应。该工作采用的表面修饰技术和动态相位匹配方法可以普适地推广到其它微腔和光波导等体系中，在宽带可调谐非线频率转换和表面科学研究中发挥重要作用。
研究工作由北京大学极端光学研究团队和上海科技大学沈晓钦团队合作完成，得到了国家自然科学基金委、科技部、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室和极端光学协同创新中心等的支持。
新闻来源：北京大学物理学院
朱瑞研究员、龚旗煌院士等在Nature Reviews Materials发表综述论文
近日，北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”朱瑞研究员、龚旗煌院士与英国萨里大学张伟教授合作，在全球顶级期刊《Nature Reviews Materials》（影响因子IF=74.45）上发表题为“Minimizing non-radiative recombination losses in perovskite solar cells”的综述文章，深入探讨和总结了钙钛矿太阳能电池中的非辐射复合能量损失问题，并对最大化降低非辐射复合损失提出了建议和展望。（https://doi.org/10.1038/s41578-019-0151-y）
钙钛矿太阳能电池制备工艺简单，成本低廉。近年来，该类太阳能电池因其快速增长的光电转换效率和逐步提升的器件稳定性，吸引了学术界和产业界的广泛关注，为光伏领域带来了新的机遇。然而，由于钙钛矿太阳能电池中存在非辐射复合损失，所以目前的光电转换效率依然低于肖克利-奎塞尔（Shockley-Queisser）理论所定义的极限效率。因此，最大化降低钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失是进一步提升电池器件效率的未来研究重点。
鉴于此，研究团队基于已有的研究基础，对“最大化降低钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失”这一论题进行深入探讨和系统总结。该综述文章主要包括以下几个方面：首先，介绍了钙钛矿太阳能电池中非辐射复合的起源，并详细讨论了非辐射复合损失的定量化测试方法；其次，系统总结了在降低非辐射复合损失方面的最近研究进展；再次，依据肖克利-奎塞尔理论，对钙钛矿太阳能电池所能够获得的最高光电转换效率进行了科学预测；最后，在展望部分，前瞻性地指出了最大化降低非辐射复合损失的未来努力方向。
在理想的金属卤化物钙钛矿半导体材料中，所有的光生电子和空穴最终将通过发射光子的方式进行复合（即：辐射复合）。然而，在实际的钙钛矿太阳能电池中存在大量的非辐射复合通道（如图1所示），绝大部分光生载流子将优先通过其他非辐射途径进行复合（例如，缺陷辅助复合，俄歇复合，界面诱导复合，电声耦合，带尾态复合等）。这些非辐射复合损失过程极大降低了电池在稳态下的光生载流子浓度，从而减小了金属卤化物钙钛矿层中准费米能级劈裂的能级差，最终造成钙钛矿太阳能电池较大的电压损失。因此，最大化降低或抑制这些非辐射复合通道是提升器件开路电压和光电转换效率的关键。
针对各种非辐射复合通道，该综述首先介绍了目前量化分析非辐射复合损失的常规测试技术以及测试要点。随后，结合当前研究现状，进一步梳理了近年来在降低非辐射复合损失方面取得的一系列重要进展。
值得一提的是，该研究团队去年在《Science》杂志上报道的基于溶液二次生长方法构建渐变结的策略，在降低反式钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失方面效果显著（Science 360, 1442-1446）。此后，一系列研究报道显示，相似的策略在正式常规结构钙钛矿太阳能电池和全无机钙钛矿太阳能电池中也可以获得正向的实验结果。由此说明，在金属卤化物钙钛矿半导体材料中构建有效的渐变结对后续降低非辐射复合损失具有非常重要的借鉴价值。
此外，该综述还以当前最高效率的砷化镓太阳能电池为参照，先假定钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失与砷化镓太阳能电池的情形一致，再依据肖克利-奎塞尔理论，对钙钛矿太阳能电池所能够获得的性能参数进行科学预测，进而给出电池器件所能达到的最高光电转换效率。最后，该综述也指出，目前提升器件性能的两条主要途径是最优化光子俘获和最大化降低非辐射复合损失。如果能将二者进行有效整合，探索更可靠的协同优化策略，这可能会是将器件光电转换效率提升至接近理论极限的可行方案。为此，综述也对一些未来的努力方向进行了展望。
总的来说，该综述为最大程度地降低钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失提供了理论总结，也为开展实验工作提供了参考借鉴，对进一步提升电池效率，推动该类电池产业化应用有重要意义。
该综述论文的第一作者/共同第一作者为朱瑞研究员课题组罗德映博士和博士研究生苏睿，北京大学朱瑞研究员和萨里大学张伟教授为通讯作者，北京大学和萨里大学为通讯单位。
该工作得到得到了科技部、国家自然科学基金委、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、极端光学协同创新中心、“2011计划”量子物质科学协同创新中心、英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）等单位的支持。
新闻来源：北京大学物理学院
高分七号在太原卫星发射中心成功发射
11月3日11时22分，长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心点火升空，成功将高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分专项）高分七号卫星送入预定轨道。此次发射为一箭四星，火箭同时搭载了精致高分试验卫星、苏丹科学实验卫星一号、天仪十五号卫星等3颗卫星。
高分七号卫星是我国首颗民用亚米级光学传输型立体测绘卫星，运行后将在国土测绘、城乡建设、统计调查等方面发挥重要作用，为城市群发展规划、农业农村建设提供有力保障，为建设小康社会提供重要支撑。
高分七号是高分系列卫星中测图精度要求最高的科研型卫星，可实现我国民用1:10000比例尺卫星立体测图。相比以前的1:50000或者其他比例尺卫星能够定位高速公路以及国道，现在1:10000的能力，意味着卫星能精确定位到乡间小路。
中国科学院上海光学精密机械研究所承担了激光测高仪分系统中2个波束共4台全固态激光器的研制任务。激光测高仪分系统承担星下高程控制点的测距任务，协同光学立体相机，满足了高精度1：1万比例尺测绘要求，是我国首个对地观测的双波束激光测高仪。上海光机所研制的激光器采用被动调Q和板条放大技术，实现单频、高能量、高光束质量输出，激光器设计在轨寿命8年。高分七号激光器的成功发射标志着我国已经具备长寿命、大能量空间全固态激光器的研制能力，对推动对地激光遥感载荷的发展具有重要意义。
新闻来源：中国科学院上海光学精密机械研究所
