近日，中山大學(xué)物理學(xué)院博士后袁野博士、顏庚驊博士等人成功解析了鈣鈦礦材料的缺陷結(jié)構(gòu)和載流子動(dòng)力學(xué)。該工作以“Shallow defects and variable photoluminescence decay times up to 280 μs in triple-cation perovskites”為題，發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Materials》上。

在過去的十年內(nèi)，鈣鈦礦材料在光電器件領(lǐng)域快速發(fā)展，吸引了廣泛的關(guān)注，但是其載流子輸運(yùn)過程并不明晰。目前，業(yè)界普遍持有以下觀點(diǎn)：

（1）鈣鈦礦中深能級(jí)缺陷很少，淺能級(jí)缺陷濃度高，深缺陷主導(dǎo)復(fù)合，而淺缺陷無害，構(gòu)成所謂的“缺陷容忍“特性；

（2）瞬態(tài)方法（如瞬態(tài)熒光光譜）可用于表征載流子復(fù)合，并獲得載流子壽命。壽命表示通過深能級(jí)缺陷進(jìn)行的復(fù)合過程，因此是一個(gè)常數(shù)；

（3）與其他直接半導(dǎo)體相比，鈣鈦礦的壽命很長(zhǎng)。一般認(rèn)為可達(dá) 10μs；

（4）一些研究顯示了鈣鈦礦薄膜內(nèi)存在二階非輻射復(fù)合過程，但原因尚不清楚。

在本工作中，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用先進(jìn)的熒光光譜技術(shù)結(jié)合數(shù)值模擬成功對(duì)鈣鈦礦的缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析，該結(jié)果挑戰(zhàn)了上述的觀點(diǎn)（1-3），并為觀點(diǎn)（4）提供和支持和解釋。該團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦薄膜上觀測(cè)到了長(zhǎng)達(dá)數(shù)百微秒的熒光光譜壽命。這比過往觀測(cè)到的 “長(zhǎng) ”壽命又高出 10 到 100 倍，是目前直接帶隙半導(dǎo)體中測(cè)得的最長(zhǎng)壽命，且該壽命隨著載流子密度的降低還在持續(xù)增加。

進(jìn)一步的研究表明，淺能級(jí)缺陷在穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熒光光譜中都對(duì)載流子復(fù)合過程起到主導(dǎo)作用。在可觀測(cè)范圍內(nèi)深能級(jí)缺陷不會(huì)影響復(fù)合過程，因此常用的缺陷解析模型是不合理的。淺能級(jí)缺陷主導(dǎo)的衰減時(shí)間不會(huì)飽和到一個(gè)恒定值，因此，采用一個(gè)常數(shù)作為載流子壽命來表征復(fù)合過程也是不合理的。這是鈣鈦礦不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體的一個(gè)獨(dú)特特征。

通過建模，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在淺能級(jí)缺陷主導(dǎo)復(fù)合時(shí)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。而且載流子通過淺能級(jí)缺陷的復(fù)合過程正好滿足復(fù)合二階復(fù)合的特性。

(a) 瞬態(tài)光譜的初始振幅隨著注入載流子濃度的變化

(b) 瞬態(tài)光譜的衰減時(shí)間隨著準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂的變化

(c) 穩(wěn)態(tài)光譜得到的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂數(shù)值隨測(cè)試光強(qiáng)的變化

該研究成果由中山大學(xué)物理學(xué)院太陽能系統(tǒng)研究所團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國(guó)于利希研究中心能源與氣候研究所共同完成，得到中德博士后交流計(jì)劃等資金的大力支持。本文的通訊作者為顏庚驊博士后和Thomas Kirchartz教授，論文第 一完成單位為于利希研究中心能源與氣候研究所，第二完成單位為中山大學(xué)物理學(xué)院，第 一作者為袁野博士后。袁野博士本科至研究生階段均就讀于中山大學(xué)物理學(xué)院，本科入選物理學(xué)院逸仙班，博士畢業(yè)于中山大學(xué)物理學(xué)院洪瑞江教授課題組，博士后合作導(dǎo)師為中山大學(xué)物理學(xué)院梁宗存教授。

由中德雙方領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期合作，共同致力于研究各類太陽電池的器件物理性質(zhì)。在本工作之前，兩方研究團(tuán)隊(duì)還合作在國(guó)際知名期刊《Advanced Materials》發(fā)表了題為“Quantifying Efficiency Limitations in All-Inorganic Halide Perovskite Solar Cells”的論文，對(duì)鈣鈦礦太陽電池的宏觀器件特性和微觀載流子特性進(jìn)行了量化分析，并試圖通過公式將兩者定量化的聯(lián)系起來。該工作為本次工作的研究提供了元分析和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。