Science：在雜化鈣鈦礦中結晶液體保護高能載流子

【引言】

有機無機雜化鉛鹵鈣鈦礦的化學式一般為ABX3（X=Cl，Br，I），其中A+為有機陽離子，如CH3NH3+，CH(NH2)2+，它們通常在室溫下通過溶液的方法合成，并用于電池器件的制備。高密度的缺陷態盡管無法避免，但是這些具有缺陷的半導體展示出的載流子性質類似于無缺陷、非極性的無機半導體。這所有的性質都表明了，雜化鈣鈦礦中的電荷缺陷、光學聲子防止了載流子被散射，但是對于電荷缺陷和光學聲子如何保護載流子不被散射的機理，還是未知之謎。

【成果簡介】

在本篇文章中，美國哥倫比亞大學的研究人員通過比較三種單晶鉛溴鈣鈦礦材料：CH3NH3PbBr3、CH(NH2)2PbBr3和CsPbBr3，來揭示載流子被保護的機制。他們在CH3NH3PbBr3和CH(NH2)2PbBr3中觀測到了壽命為10^2ps量級高能載流子熱熒光的發射，但是在CsPbBr3中沒有。熱熒光與液體分子取向的移動有關，這表明通過溶劑化作用或大極化子的形成與快速冷卻在時間上競爭，這種動態的庇護保護了高能載流子。相似的保護機制也存在于帶邊的載流子。長壽命的高能載流子能夠確保熱載流子太陽能電池的效率突破Shockley-Queisser的限制。

【圖文導讀】

圖1、揭示長壽命熱載流子的熒光（PL）光譜

（A）SEM圖像和單晶CH3NH3PbBr3微板的選區電子衍射花樣（插圖）。比例尺：10um。

（B）在能量為3.08ev、密度為1.7 mJ cm?2的激發下，單晶CH3NH3PbBr3微板在室溫下的TR-PL光譜彩色（強度）圖。

（C）在2.3ev（紅）、2.6ev（藍）下的PL強度衰減動力分布，以及相應的單指數擬合線（實線）。在2.6ev處的PL強度是乘上1500后的。

（D）不同衰減時間下的PL光譜（方形）以及雙溫度模型擬合(彩色線)。黑色線和虛線展示了50ps光譜的擬合組成。

（E）從熱載流子分布提取的電子溫度時間函數。數據點是三個獨立樣本的平均值。紅色曲線是第一個0.5ns的單指數模擬。

圖2、FAPbBr3 和 CsPbBr3的時間PL光譜表明僅有前者發生了熱PL發射。

（A、B）單晶FAPbBr3微板（A）、單晶CsPbBr3微板（B）的TR-PL光譜彩圖。激發光子的能量是3.08ev，激發密度為1.7 mJ cm?2。

（C、D）不同衰減時間下，單晶FAPbBr3微板（C）、單晶CsPbBr3微板（D）的PL光譜。實驗條件與圖1中的MAPbBr3一樣。

圖3、時間分辨光克爾效應(TR-OKE)瞬變。

（A-C）瞬變揭示了在（B）MAPbBr3和（C）FAPbBr3中的液態取向動力學，但不存在（A）CsPbBr3中。灰色描述的是泵浦探測互相關。（A）中的紅色曲線是一個指數擬合。

圖4、兩個溫度下的MAPbBr3的時間PL光譜，表明熱PL發射是在180k而不是在77k。

（A、B）在能量為3.08ev、密度為1.7 mJ cm?2的激發下，單晶MAPbBr3微板在180k（A）和77k（B）下的TR-PL光譜彩圖。

（C、D）MAPbBr3微板在180k（C）和77k（D）下的不同衰減時間的PL光譜。見圖1中相同樣品在293k的光譜。

文獻鏈接：Screening in crystalline liquids protects energetic carriers in hybrid perovskites（Science，2016，DOI: 10.1126/science.aaf9570）

本文由材料人編輯部電子電工學術組供稿，材料牛編輯整理。

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