水平和垂直2D/3D卤素钙钛矿异质结不同的载流子传输

卤素钙钛矿已经被广泛应用于太阳能电池、发光二极体等领域，其中合成二维/三维(2D/3D)的钙钛矿异质结是提升器件稳定性和转换效率的一个策略，然而在此类异质结中，载流子传输过程仍有争议，且由于二维、三维钙钛矿相似的不稳定特性，此类结构常常缺乏明确的界面和确切的化学成分(如二维钙钛矿的n值)，也因此二维/三维的钙钛矿异质结的光物理性质缺乏一个系统深入的研究。

有鉴于此，威士康辛大学麦迪逊分校的金松教授、John Wright教授与台湾交通大学的徐雍蓥教授组成合作团队，利用溶解-重结晶方法在气相合成的单晶三维钙钛矿CsPbBr₃上合成外延生长的水平和垂直的二维钙钛矿(PEA)₂PbBr₄(PEA=苯乙胺) 异质结（图1），并利用时间分辨瞬态荧光的动力学模型分析和电性测量去研究载流子的传输过程。

图1. 钙钛矿异质结的合成、X光衍射分析与扫描电子显微镜影像。

作者在水平异质结中的时间分辨瞬态荧光数据中，使用了Type-I和Type-II两种异质结模型去分析，其中考虑了激子湮灭、解离和载流子复合的路径，而在Type-I模型中假设载流子从2D钙钛矿传输至3D钙钛矿，在Type-II模型中光激发的电子倾向于从2D传输至3D，而空穴从3D传输至2D（图2）。如拟合结果所示（图3），研究发现二维钙钛矿的厚度会影响此异质结的能带结构，在二维钙钛矿较薄时，此异质结的行为较接近Type-I的能带结构，然而在二维钙钛矿厚度大于约150纳米时，此异质结的行为较接近Type-II的能带结构。

图2. 提出的二维/三维钙钛矿异质结构的Type-I与Type-II载流子动力学模型。

图3. 水平异质结的时间分辨瞬态荧光动力学分析结果。其中较薄的二维钙钛矿接近Type-I模型的拟合结果，而较厚的二维钙钛矿接近Type-II模型的拟合结果。

在垂直生长的异质结的时间分辨瞬态荧光量测中，作者控制激光激发在二维钙钛矿不同高度位置，发现其荧光形状并不会随着激发高度改变，然而从3D钙钛矿上把2D钙钛矿薄片刮落后，其时间分辨瞬态荧光寿命比起垂直异质结构的2D稍长，这可能归因于二维/三维异质结的Type-I 或Type-II能带结构下的载流子传输，然而这部分仍需要更深入的研究。

在电性量测中则是发现在两种结构的电流-电压曲线图都出现非对称的整流效果(图4)，在顺向偏压下才能顺利导通电流，其中垂直的异质结呈现更好的传输效率。

图4. 电性测量的电流-电压曲线图和测量样品的扫描电子显微镜影像。

该成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是台湾国立交通大学博士生郭明育，通讯作者为金松、徐雍蓥和John Wright教授。

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Distinct Carrier Transport Properties Across Horizontally vs Vertically Oriented Heterostructures of 2D/3D Perovskites

Ming-Yu Kuo, Natalia Spitha, Matthew P. Hautzinger, Pei-Lun Hsieh, Jing Li, Dongxu Pan, Yuzhou Zhao, Lih-Juann Chen, Michael H. Huang, Song Jin*, Yung-Jung Hsu*, and John C. Wright*

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c10000

导师介绍

金松教授, 1997年在北京大学获理学学士学位, 2002年在康奈尔大学获博士学位,师从Francis J. DiSalvo院士, 并在哈佛大学Charles M. Lieber院士的指导下进行博士后研究。主要研究兴趣包括纳米和固体材料的化学、物理和技术应用。金松博士发现并发展了螺位错驱动的纳米材料生长,促进了各种纳米材料的创新合成,包括金属硫族化合物、硅化物和卤素钙钛矿纳米材料。基于这些基础研究的认知, 金松博士推进了电催化、太阳能转换、光电子学、纳米自旋电子学和生物技术等领域(纳米)材料的开发。迄今已发表论文230余篇, 获专利8项, 其中发表Science 4 篇、Nature Materials 3篇、Nature Nanotechnology 1篇、Nature Communications 9篇、J. Am. Chem. Soc. 21 篇、ACS Energy Letters 5篇等。已获得的奖项和荣誉包括NSF CAREER奖, Research Corporation Cottrell Scholar奖,《麻省理工技术评论》杂志评选的世界35岁以下35位创新者之一(TR35奖), ACS ExxonMobil Solid State Chemistry奖学金, Alfred P. Sloan研究奖学金, ACS Inorganic Nanoscience奖等。2018-2020年连续入选科睿唯安全球高被引科学家名单。目前担任ACS Energy Letters期刊资深编辑。

金松

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