鈣鈦礦表面與體區域光生載流子復合動態競爭的超快光譜解析

對優異光電材料與器件的不懈追求，極大地推動了人類文明的進步。近年來，溶液法制備的鹵化物鈣鈦礦因其在發光和光電轉換應用中的出色性能而備受關注。然而，由于該材料體系采用溶液法合成，往往會生成許多晶格缺陷，進而形成陷阱態，理論上會使得光生載流子經非輻射復合而耗散能量。雖然，一些前期的鈣鈦礦太陽能電池的應用研究表明，溶液法合成的鈣鈦礦缺陷并不會對光電轉換性能產生顯著影響，展現出較高的缺陷容忍度。但是，其物理機理依然是一個謎，是有待深入探討的科學問題。利用超快激光光譜技術，從時間和空間上觀測陷阱態對光生載流子復合的介導過程，有望為回答這一問題提供新的線索和見解。

【圖文導讀】

近日，東南大學博士生朱益志在徐春祥教授、崔乾楠副教授的指導下，于國際界面科學著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces發表了題為Inhomogeneous Trap-State-Mediated Ultrafast Photocarrier Dynamics in CsPbBr₃ Microplates 的封面論文( ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13 (5): 6820-6829. DOI:10.1021/acsami.0c20733 )，利用超快光譜技術對鈣鈦礦表面和體區域中的陷阱態對光生載流子的介導過程進行了解析。該工作首先利用時間分辨熒光光譜技術，發現了單晶鈣鈦礦微米片中光生載流子的長、短壽命分別來源于體區域和表面區域的激子帶間復合發光，并通過厚度依賴測量解析了陷阱態密度與樣品厚度的定性關系。進一步，為了建立陷阱態空間分布與光生載流子能量弛豫過程的定量關系，他們綜合利用時間分辨熒光光譜和飛秒激光瞬態吸收光譜技術，通過泵浦功率依賴測量和時域關聯手段，對表面和體區域光生載流子能量弛豫的動態競爭過程進行了深入研究。實驗結果表明，表面陷阱態密度比體區域高一個數量級；進而，表面和體區域的界面形成了陷阱態密度空間梯度；當泵浦功率達到臨界值使表面區域中的陷阱態完全填充時，非輻射復合通道產生泡利阻塞效應，將觸發極化子輔助的界面能量超快轉移過程，光生載流子能量在20皮秒內從表面區域向體區域發生轉移，使體區域中的激子濃度得到提升，進而顯著地增強了體區域的發光強度。

這些結果充分說明，鈣鈦礦中的陷阱態通過表面和體區域形成的界面在不同的時間尺度上對光生載流子能量弛豫快速過程，產生了重要影響。利用這些快速過程產生的物理根源，一方面，可以利用極化子大幅度提升熱載流子的壽命，從而有望通過界面工程構建突破Shockley-Queisser極限的熱載流子太陽能電池；另一方面，可以通過缺陷工程構建陷阱態空間梯度，在半導體界面上誘導光生載流子能量轉移，實現對光生載流子復合過程（例如激子帶間復合發光過程）的光學動態操控。該工作為鈣鈦礦中表面和體區域陷阱態定量解析，提供了一種時空分辨超快光譜研究方法，對深刻理解液相合成半導體材料體系的缺陷容忍度具有普適的參考意義。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.0c20733

徐春祥課題組主頁：

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供稿人：徐春祥課題組