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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)n−1PbnI3n+1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。


龙闰点击查看介绍方维海教授(点击查看介绍)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。

相关论文发表于J. Am. Chem. Soc.


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Exciton Dissociation and Suppressed Charge Recombination at 2D Perovskite Edges: Key Roles of Unsaturated Halide Bonds and Thermal Disorder

Zhaosheng Zhang, Wei-Hai Fang, Run Long*, Oleg V. Prezhdo

J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 15557-15566, DOI: 10.1021/jacs.9b06046


导师介绍

龙闰

https://www.x-mol.com/university/faculty/43006

方维海

https://www.x-mol.com/university/faculty/37835


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