鈣鈦礦今日Nature Materials

2020-10-21 研之成理

▲第一作者： Wenxin Mao，Christopher R. Hall，Stefano Bernardi

通訊作者：Asaph Widmer-Cooper，Trevor A. Smith，Udo Bach

通訊單位： 莫納什大學，墨爾本大學，雪梨大學

DOI：10.1038/s41563-020-00826-y


背景介紹

混合型滷化物鈣鈦礦中光誘導的相偏析導致帶隙不穩定，使開路電壓降低、載流子遷移率和壽命削減，限制了其商業化應用。


本文亮點

1. 本文證明了滷化物鈣鈦礦中光誘導的離子偏析在足夠高的光照強度下能夠完全逆轉，通過優化光生載流子密度來控制鈣鈦礦單晶的帶隙寬度。

2. 本文建立了基於極化子的二維晶格模型，假設光誘導的滷素分相是由於載流子誘導的應變梯度，其在高載流子密度下會消失，從而合理的解釋實驗中觀察到的一系列現象。

3. 通過使用不同強度的光源，通過寫-讀-擦實驗表明能夠利用該方法在幾分鐘內以隱藏圖像的形式進行信息存儲。


圖文解析

▲圖1. MAPb(Br0.8I0.2)3單晶中光誘導的滷素離子分相和混合

● 採用共聚焦顯微鏡記錄了鈣鈦礦單晶固定位置的PL光譜。

● 暴露在低強度光10 W cm-2時，發射峰為550nm，並在前60s內紅移到710nm處；當強度增加到200 W cm-2時，立刻觀察到545nm、610nm和710nm處三個發射峰，隨著暴露時間延長，545nm和610nm處的峰分別紅移和藍移，在555nm處匯合成一個峰，而710nm處的峰衰減為0；當強度降低到持續80s時，555nm處的發射峰再次紅移，與初始狀態相分離引起的發射峰變化類似。

● 通過調節輸入的發光功率，得到穩定的PL能量範圍，說明滷素離子的相分離與激發功率強度有關。


▲圖2. 利用極化子密度模擬滷素的偏析和混合過程

● 基於極化子誘導偏析的理論，建立晶格模型來模擬滷素分布在大範圍光照功率下的變化。滷素分布的變化有三種驅動力：極化子應變梯度產生局部吸引I的力；由於帶隙的變化吸引載流子或極化子到富I區域的力；不存在強應變梯度時驅動滷素均勻混合的力。

● 載流子/極化子的密度分布：當光子通量由低到高時，極化子的特徵尺寸增大並開始合併，直到觀察到一個接近連續的整體。

● 滷素的分布：在中低光子通量下，I在極化子孤立的區域發生相分離，而高I濃度區域由於局部帶隙的漏鬥效應吸引載流子；在高光子通量下，較大的區域內被極化子飽和，晶格均勻變形，使相偏析的驅動力消失，滷素離子均勻分布，從而增加了帶隙和發射能，與化學計量比理論值相近。

● 空間分辨的PL光譜：極化子孤立時相分離的富I發射區>620nm；極化子開始合併區域；極化子飽和區域均勻的綠色發射區~570nm。


▲圖3. 載流子密度梯度的空間分辨穩態PL圖像

● 將CCD記錄的PL圖像與可調帶通濾波器耦合，來驗證提出的晶格模型能否驗證光照強度的依賴行為。

● 雷射照射區域在540-570nm範圍內具有強烈的發射，說明存在明顯的滷素離子的混合；當波長進一步增大時，該發射逐漸減弱，在激發點周圍出現一個亮環。


▲圖4. 局部光照後混合態穩定性的圖像

● 首先在黑暗中利用400nm的雷射照射60s，產生均勻的相分離；然後打開532nm雷射器照射10s，引起局部的相混合，消除相分離；在黑暗中靜置不同時間後，利用400nm雷射重新誘導相分離，同時利用PL記錄相分離和混合隨時間的變化。

● 當黑暗中靜置的晶體短時間暴露在雷射下時，晶格中心處的滷素均勻混合，而外側仍保持相分離；隨著時間的延長，滷素的偏析發生在混合區的邊緣，並向中心擴散。


總結：

利用光誘導鈣鈦礦中滷素離子的分布來實現混合滷化物鈣鈦礦中的成分均勻，通過增加輸入載流子的密度，使滷素離子由偏析狀態到完全均勻狀態，並通過建立的極化子晶格模型解釋了這一行為，應用於聚光或疊層太陽能電池，以及高功率發光器件和光存儲應用中。


原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-00826-y

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