钙钛矿表面与体区域光生载流子复合动态竞争的超快光谱解析

对优异光电材料与器件的不懈追求，极大地推动了人类文明的进步。近年来，溶液法制备的卤化物钙钛矿因其在发光和光电转换应用中的出色性能而备受关注。然而，由于该材料体系采用溶液法合成，往往会生成许多晶格缺陷，进而形成陷阱态，理论上会使得光生载流子经非辐射复合而耗散能量。虽然，一些前期的钙钛矿太阳能电池的应用研究表明，溶液法合成的钙钛矿缺陷并不会对光电转换性能产生显著影响，展现出较高的缺陷容忍度。但是，其物理机理依然是一个谜，是有待深入探讨的科学问题。利用超快激光光谱技术，从时间和空间上观测陷阱态对光生载流子复合的介导过程，有望为回答这一问题提供新的线索和见解。

【图文导读】

近日，东南大学博士生朱益志在徐春祥教授、崔乾楠副教授的指导下，于国际界面科学著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces发表了题为Inhomogeneous Trap-State-Mediated Ultrafast Photocarrier Dynamics in CsPbBr₃Microplates 的封面论文( ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13 (5): 6820-6829. DOI:10.1021/acsami.0c20733 )，利用超快光谱技术对钙钛矿表面和体区域中的陷阱态对光生载流子的介导过程进行了解析。该工作首先利用时间分辨荧光光谱技术，发现了单晶钙钛矿微米片中光生载流子的长、短寿命分别来源于体区域和表面区域的激子带间复合发光，并通过厚度依赖测量解析了陷阱态密度与样品厚度的定性关系。进一步，为了建立陷阱态空间分布与光生载流子能量弛豫过程的定量关系，他们综合利用时间分辨荧光光谱和飞秒激光瞬态吸收光谱技术，通过泵浦功率依赖测量和时域关联手段，对表面和体区域光生载流子能量弛豫的动态竞争过程进行了深入研究。实验结果表明，表面陷阱态密度比体区域高一个数量级；进而，表面和体区域的界面形成了陷阱态密度空间梯度；当泵浦功率达到临界值使表面区域中的陷阱态完全填充时，非辐射复合通道产生泡利阻塞效应，将触发极化子辅助的界面能量超快转移过程，光生载流子能量在20皮秒内从表面区域向体区域发生转移，使体区域中的激子浓度得到提升，进而显著地增强了体区域的发光强度。

这些结果充分说明，钙钛矿中的陷阱态通过表面和体区域形成的界面在不同的时间尺度上对光生载流子能量弛豫快速过程，产生了重要影响。利用这些快速过程产生的物理根源，一方面，可以利用极化子大幅度提升热载流子的寿命，从而有望通过界面工程构建突破Shockley-Queisser极限的热载流子太阳能电池；另一方面，可以通过缺陷工程构建陷阱态空间梯度，在半导体界面上诱导光生载流子能量转移，实现对光生载流子复合过程（例如激子带间复合发光过程）的光学动态操控。该工作为钙钛矿中表面和体区域陷阱态定量解析，提供了一种时空分辨超快光谱研究方法，对深刻理解液相合成半导体材料体系的缺陷容忍度具有普适的参考意义。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.0c20733

徐春祥课题组主页：

https://bme.seu.edu.cn/xuchunxiang/main.psp

供稿人：徐春祥课题组