Small Methods: 混合卤素钙钛矿单晶中相分离的单-双光子显微动态分析

金属卤化物钙钛矿在光电应用中取得了重大进展,尤其是基于钙钛矿的太阳能电池,最高光电转换效率达到了24.2%。由于钙钛矿是一种混合的载流子 – 离子导体,基于钙钛矿的光电器件的性能容易受到移动离子的影响。比如,混合卤化物钙钛矿在可见光照射下会发生卤素相分离,而移动离子扩散被证实促进了这种光致相分离。而相分离和移动离子与钙钛矿器件性能的稳定性密切相关。近期在单晶钙钛矿中观察到的相分离现象表明:光诱导的相分离是混合卤化物钙钛矿中的固有过程;界面,包括晶界、晶体表面和边缘,促进离子迁移和相分离。 但到目前为止,相分离的动态过程尚不清晰。在之前的研究中,混合卤化物钙钛矿的体态(Bulk state)的作用依然是一个未知的问题,因为通常的技术无法企及。此外,单晶中的光诱导相分离是一个非常快的复杂过程。因此,很难单独分析相分离的触发、演化和恢复过程。

近日,澳大利亚斯文本科技大学的贾宝华-文小明课题组,结合双光子深度分辨和时间分辨的光谱成像技术,系统研究了混合卤素钙钛矿单晶的光致相分离及其暗常恢复过程。混合卤素钙钛矿被激光触发相分离后,富碘相和富溴相之间光致发光在时间上表现出紧密的相关性:这表明卤化物取代是光致相分离的主要过程。而在相同的激光照射条件下,钙钛矿单晶的边缘和体区表现出显著不同的相分离: 富碘相和富溴相呈现出空间分布的显著差异,其中碘化物取代优先在边界处发生。在此基础上,通过比较单光子和双光子激光映射下的钙钛矿相分离,比较体躯态和表面态对光致相分离的影响,证实了表面态和边缘态在相分离中起重要作用。这项工作阐明了边缘态和表面态的关键作用,揭示了混合卤化物钙钛矿中相分离的物理机制,这对于光伏和光子学中的应用至关重要。相关工作发表在Small Methods: https://doi.org/10.1002/smtd.201900273,本文第一作者为陈伟健博士。