国防科技大学江天研究团队利用飞秒光谱探测技术,首次发现了2D/3D混合钙钛矿中具有层间强库伦耦合作用,并且在这种强耦合下,载流子可以在不同层钙钛矿之间进行非常有效、超快的转移。

钙钛矿太阳能电池具有高光电转换效率、长电荷传输距离、易于光学调控等诸多优点,被认为是最有潜力的光伏技术之一。尽管转换效率不断提高,器件的稳定性问题却是制约其实际应用的关键因素,如何同时实现二者是目前钙钛矿太阳能电池技术发展的一大挑战。最近的研究表明,综合利用三维(3D)钙钛矿优良光伏性能以及二维(2D)钙钛矿较好稳定性的2D/3D混合钙钛矿是应对这一挑战的有效方案。由于不同层厚2D组分的引入,2D/3D混合钙钛矿薄膜中形成了复杂的界面环境,2D/3D混合钙钛矿层间耦合相互作用机制与层间电荷转移过程直接决定了钙钛矿光伏器件的光电转换效率,对于高性能稳定型钙钛矿太阳能电池的设计、优化至关重要。


图1 2D/3D混合钙钛矿(层数n = 2,3,4... ∞(NC))中载流子动力学的超快光谱表征。(a) 荧光激发谱特征峰的移动表明发生了薄层向厚层的能量转移;(b) 483 nm光泵浦下的瞬态吸收光谱,2层和3层能带处的光致漂白峰表明有空穴从厚层向薄层转移;(c) 400 nm光泵浦下的瞬态吸收谱,层间库伦耦合导致了2层钙钛矿的光学带隙移动(A0→A);(d) A0、A能带及其平均值的时域衰减曲线;(e) 激子层间库伦耦合示意图

最近,国防科技大学江天团队利用飞秒泵浦探测技术、飞秒荧光上转换技术、飞秒光泵浦-太赫兹探测技术等多种超快光谱测量手段,对包含层厚n=2,3,4和n=∞的2D/3D混合钙钛矿中层间耦合相互作用机制和层间电荷转移的超快动力学过程进行了深入研究和分析。研究表明,在2D/3D混合钙钛矿中不同层厚组分能带排列的驱动下,光生电子和空穴能够迅速自行分离,其中电子从较薄层向较厚层转移,转移效率高且与激发波长无关;而空穴转移的驱动力相对不足,效率较低,且转移方向取决于激发的波长,如图1(a)、(b)所示。光生电子和空穴在2D/3D混合钙钛矿中层间转移机制的不同为通过操控实现净能量转移和净电荷转移提供了可能。此外,他们还发现了不同层钙钛矿的载流子之间存在强耦合效应(图1 (c)-(e))。这一效应导致了载流子可以发生超快(<100fs)层间转移,速度远高于通过能带排列驱动下的层间扩散转移机制(>2ps)。为钙钛矿材料中载流子的高转移效率来源提供了一种新的解释。同时,钙钛矿中的激子由于层间强库伦耦合效应发生了激子能级重整化现象。与一般材料不一样,由于钙钛矿中的激子的波函数是Anderson局域化的,所以钙钛矿中的能级重整化与泵浦光的功率密度没有明显关系。该能级重整化现象产生的主要原因是强耦合效应产生的额外相互作用项。该研究工作系统地揭示了2D/3D钙钛矿中层间载流子超快传输的物理现象与机制,对于理解2D/3D钙钛矿中光激发电子、空穴的动力学过程及其在高效率光伏器件的实际应用具有重要的意义。


图2 2D/3D混合钙钛矿层间强耦合超快电荷传输示意图

相关工作于2018年10月发表在Laser Photonics Reviews[12(10): 1800128(2018)]上,并被选为封面文章。该项研究得到了国防科技大学高性能计算国家重点实验室开放课题、国防科技大学科研基金、国家自然科学基金国际合作与交流项目的资助。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.201800128