钙钛矿单晶中扩散相关的局域光致发光动力学 | Science Bulletin 封面文章

中国科学院大连化学物理研究所金盛烨研究员课题组在Science Bulletin 2016年第9期发表封面文章，通过使用激光/荧光扫描共聚焦显微镜测量局域发光动力学和模拟单个CH₃NH₃PbI₃单晶中的载流子扩散过程，发现当钙钛矿材料在没有均匀激发情况下，快速的载流子扩散过程会加快局域光致发光动力学过程，在钙钛矿单晶中根据光致发光动力学过程来解析载流子寿命时，必须要排除载流子扩散的影响。

    有机铅卤化物钙钛矿MAPbX₃(MA=CH₃NH₃⁺; X=Cl^-, Br^-, I^-)材料由于其优越的光物理性质使得其在构建高效、廉价太阳能电池和其他光电器件等方面展现出极大的应用价值，成为国际上尤为重要的研究热点材料之一。自从首次报道钙钛矿太阳能电池以来，经过短短6年的时间其效率目前已经达到了20%，这引起了人们对其光物理性质的极大关注。

光生载流子(电子/空穴)迁移距离是决定钙钛矿太阳能电池效率的重要因素之一，其大小由载流子迁移率和复合动力学共同决定。研究表明，在低光强下，MAPbX₃材料中载流子浓度相关的光致发光动力学遵循一级复合过程；在高载流子浓度条件下，光致发光动力学过程包含早期的二级复合过程和后来一级复合过程。

 另外一个决定钙钛矿太阳能电池效率的因素是载流子迁移率，其与载流子寿命共同决定载流子迁移距离。载流子迁移率与膜的结晶度和形貌有很大关系。因此，在不同条件下制备得到的钙钛矿材料其载流子迁移率有较大差异。在MAPbI₃大单晶中，其载流子迁移率可达~100cm²/(s V)，说明载流子在本质上可以迁移很远的距离。如此快速的载流子迁移是否会影响其光致发光动力学过程呢？如果载流子扩散与载流子寿命在同一时间尺度，载流子扩散过程也会导致激发点处载流子浓度降低。在这种情况下，通过光致发光得到的寿命并不能真实反映载流子寿命。中国科学院大连化学物理研究所金盛烨研究员课题组最近的研究结果表明在MAPbI₃和MAPbBr₃单晶中载流子扩散距离可达10µm。其他课题组也报道了在厚钙钛矿单晶膜中，载流子从外部向内部扩散导致光致发光动力学中出现一个快速的衰减组分。

 金盛烨研究员课题组报道了MAPbI₃单晶中扩散相关的光致发光动力学过程。通过关联晶体中的寿命分布和载流子扩散过程，证明了快速的载流子扩散过程会降低激发点处载流子浓度从而加快光致发光动力学。只有钙钛矿单晶在均匀激发的情况下，其载流子寿命的估算才是准确的。因此，在钙钛矿单晶中根据光致发光动力学过程来解析载流子寿命时，必须要排除载流子扩散的影响。相关工作发表在Science Bulletin 2016年第9期(Science Bulletin, 2016, 61(9): 665-669, doi:10.1007/s11434-016-1056-4)。

本项目由大连化物所分子反应动力学国家重点实验室、国家自然科学基金(21473192)和国家重点基础研究发展计划(2013CB834604)资助。

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