Solar RRL:光照诱导的铅卤化物钙钛矿的荧光增强和荧光衰减

钙钛矿电池作为新一代的太阳能转换材料, 由于它惊人的转换效率和快速的发展过程被研究学者所熟知。它的转换效率从9.7%提升到22%以上,仅仅使用了4年的时间。相比于传统的硅电池,钙钛矿电池具有低成本、高效率、易生产等优势。同时,钙钛矿在发光材料,激光材料和光子学方面也表现巨大的应用空间。被誉为光伏之父的澳大利亚新南威尔士大学马丁. 格林教授领导的研究组正在进行钙钛矿电池方向的研究。钙钛矿材料以及界面的光物理就是其中研究方向之一。澳大利亚工程院院士程一兵教授领导的研究组合作完成了本课题研究。

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尽管钙钛矿的发展十分的迅速,但是人们对其光物理特性的了解依然不够深入。最为大家所关心的就是钙钛矿电池在光照条件下的不稳定性:电流-电压的磁滞现象和光辐照效应。普遍认为磁滞现象是由于可移动离子在材料中的运动。但是,辐照效应的物理机制还不明确,具体表现为电池效率在持续光照下不停地浮动。在之前的研究中,人们发现钙钛矿材料的光激发荧光的强度会随着持续光照的时间而增强,可能是由于材料的缺陷自我修复功能。本文作者也在之前的一篇文章中,观测到同一现象,并且更进一步发现在高强度的光照下,这种光激发荧光的趋势会转变成随着时间而衰减。研究者认为这是一种可移动离子所造成的非辐射性载流子复合的过程。

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在本文中,使用同一化学组成但不同制造工艺的铅卤化物钙钛矿作为样品,陈圣等人系统性地研究了这种由持续光照引起的光激发荧光变化现象。研究者发现,在低光强的持续照射下,传统旋转镀膜制作的钙钛矿薄膜的光激发荧光,会呈现出随着时间而增长。这和之前研究的材料的缺陷自我修复现象一致。但是,随着连续的辐照,热气体辅助镀膜生产的薄膜的光激发荧光保持稳定。为探索其中的物理原理,研究者对两个样品做了时间解析光激发荧光(Time-resolved photoluminescence)的实验。实验结果发现,热气体辅助镀膜产生的薄膜的缺陷浓度更高,而且捕获到缺陷的载流子具有更快的重新释放的速率。该结果与作者发表在Journal of Materials Chemistry C 2016 的另一篇文章的模拟结果一致。作者认为虽然两个样品都存在着缺陷自我修复这一功能,但是高缺陷浓度和高载流子释放速率,导致了材料本身的缺陷不容易在持续光照过程中饱和,从而使得样品的光激发荧光不会随着时间而增加。这也解释了为什么同一种材料在持续光照下会有不同的辐照效应。除此之外,研究者尝试在高强度光照下激发两个样品,结果显示两个样品的光激发荧光都呈衰减趋势。这是由于高强度的光能激活了原本被限定的不动离子,这些离子开始可以在材料中迁移和聚集,并导致增强的电子-空穴无辐射重组,从而降低了材料的发光效率。同时,热气体辅助镀膜比传统旋转镀膜产生的薄膜需要更高的光强去激发这些离子,这可能和材料本身的缺陷特性有关联。

根据研究结果,不同的制作工艺会让材料产生不同的缺陷浓度和特性,并影响到材料本身的载流子动力学以及离子的激活过程。研究者相信,这些实验结论会有助于理解钙钛矿电池的不稳定性的起因,为钙钛矿电池的制造和改进提供依据。相关论文在线发表在Wiley新刊Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201600001)上。

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