北京师范大学化学学院
     
 
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龙闰老师 J. Am. Chem. Soc. 文章介绍

发布时间: 2019-09-29  浏览次数:

趋利避害:二维钙钛矿边缘不饱和卤素化学键促进激子解离、抑制电荷复合

 

与传统的三维有机-无机杂化钙钛矿相比,二维(2D)Ruddlesden-Popper (RP)型钙钛矿稳定性好,含铅量低,基于此类材料的太阳能电池光电转换效率超过了17%,具有潜在的应用前景。由于量子限制效应,二维钙钛矿激子束缚能大,光生电子和空穴对不易分离。而且,低温溶液法制备的钙钛矿含有丰富的缺陷,通常认为这些缺陷会加速电荷和能量的失,限制了光电转换效率的进一步提升。然而,实验报导2D-RP钙钛矿 (BA)2(MA)n1PbnI3n+1 (n>=2)形成的边缘态有利于加速激子解离,延长激发态寿命,进而提升了器件性能。但是,促成这一现象的物理机制不胜清楚。

龙闰和方维海教授课题组采用组合含时密度泛函理论和非绝热分子动力学模拟,设计了钙钛矿两侧同为Pb封端、I封端以及Pb/I封端的多种边缘结构,计算了各种几何结构的非辐射电子-空穴复合。模拟表明,钙钛矿边缘处不饱和非金属碘化学键增强空穴局域,而铅元素相关的缺陷可以通过调整自身的氧化态而自愈,所以金属铅不饱和化学键在增强电子局域化方面作用较弱。此外,热运动加速边缘几何结构扭曲,进一步增强了电荷局域,尤其是空穴的局域变得更加显著,电荷分离态得到加强,有利于激子解离。边缘的几何结构和热效应的协同作用,使得始末电子态非绝热电声耦合强度较小,低于1 meV;量子相干时间较短,小于 10 fs。这两个因素降低了非辐射电子-空穴复合率,延长激发态寿命。可见,边缘态可以扬长避短、趋利避害,提高2D RP钙钛矿光电器件的性能。上述模拟工作 (J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.9b06046)建立了2D钙钛矿边缘态加速激子解离和抑制电荷复合现象的物理机制,为设计廉价、高效的钙钛矿太阳能电池材料提供了新思路。

 


 
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