从光谱和时间分辨光致发光推导卤化物钙钛矿薄膜中的迁移率 - 寿命乘积：开启高效光电器件研究新征程

在钙钛矿光伏和光电子应用领域，确定电荷载流子迁移率（μ）和寿命（τ）等关键参数存在诸多问题。研究人员开展了利用瞬态光致发光光谱同时测定 μ 和 τ 的研究，得出了相关参数值，并明确其与器件性能的关系，为优化器件提供依据。

　　在当今的科技发展中，光伏和光电子领域的研究备受瞩目，卤化物钙钛矿作为极具潜力的半导体材料，有望为这些领域带来重大突破。然而，在深入研究卤化物钙钛矿的过程中，一个棘手的问题摆在了科研人员面前：如何精准确定其关键电子材料参数，如电荷载流子迁移率（μ）和寿命（τ）。以往，不同的测量技术以及对数据的不同解读和报告方式，使得这些参数的测定结果差异巨大且相互矛盾 。例如，文献中报道的 FAPbI₃和 MAPbI₃薄膜的迁移率范围从 10^?1到 10³ cm² V^?1 s^?1不等，寿命测量也因多种因素存在不一致性。这不仅影响了对卤化物钙钛矿材料性能的准确评估，也阻碍了相关光伏器件的进一步优化和发展。

为了解决这些问题，研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一项极具创新性的研究，旨在找到一种更可靠、更精确的方法来同时测定卤化物钙钛矿薄膜中的迁移率和寿命。最终，研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是利用瞬态光致发光光谱技术，通过测量和模拟光致发光强度的衰减以及光致发光峰的红移随时间的变化，来获取相关信息；二是进行电压依赖的稳态光致发光测量，以建立费米能级分裂（ΔE_F）与外部偏压电压之间的关系，并确定载流子交换速度；三是运用数值模拟，通过建立 0D 和 1D 模型，对实验数据进行拟合和分析，从而提取出迁移率、寿命等关键参数 。

下面让我们详细看看研究结果：

• 量化电荷载流子传输：研究人员通过两种方式来检测瞬态光致发光测量中的时间和光谱信息，最终选择使用门控增强型 CCD 相机直接捕获整个光谱。实验中，他们使用 343nm 的紫外激光激发样品，使得光生载流子在薄膜中扩散。通过分析发现，光致发光光谱会随着时间发生红移，这是由于载流子扩散和光子重吸收导致的。为了量化光谱红移，研究人员定义了光谱移动比 R，通过 R 随时间的变化来研究载流子的迁移情况。
• PL 实验：通过门控 CCD 装置测量不同 fluence 下的瞬态光致发光（tr - PL）数据，发现 PL 光谱存在明显的峰移动，且 tr - PL 衰减曲线在较低光照强度下衰减较慢。进一步分析将衰减曲线分为偏微分方程（PDE）部分和常微分方程（ODE）部分，PDE 部分包含了载流子传输和复合的信息，而 ODE 部分仅与复合有关。
• 通过数值模拟推断迁移率：基于实验数据，研究人员使用 0D 和 1D 模型进行数值模拟。0D 模型主要关注捕获、脱捕和复合过程，1D 模型则在此基础上考虑了扩散和重吸收过程。通过模拟，研究人员确定了所研究的钙钛矿薄膜样品的迁移率 μ≈2 cm²/Vs，扩散系数 D≈0.052 cm²/s，并得到了扩散长度与外部偏压电压的关系。
• τ_diff与 ΔE_F图背后的物理过程：激光脉冲激发后，钙钛矿薄膜中的载流子浓度受三种主要过程影响：载流子扩散、浅缺陷对自由载流子的捕获以及捕获载流子向价带的跃迁。这三种过程分别对应 τ_diff与 ΔE_F图中的不同区域，它们共同影响着载流子的动力学过程。
• 器件性能的数值模拟：研究人员推导出了一个描述钙钛矿太阳能电池电流 - 电压曲线的近似解析方程，该方程包含了扩散长度、复合寿命和载流子提取速度等参数。通过模拟发现，扩散长度和载流子提取速度对器件的功率转换效率有显著影响，适当增加这些参数可以提高效率，而降低它们则会导致效率大幅下降。

研究结论和讨论部分指出，通过对光谱和瞬态光致发光数据的详细分析，研究人员深入了解了钙钛矿薄膜中的电荷载流子动力学过程。确定了载流子复合和扩散的相关参数，发现迁移率和扩散系数分别约为 2 cm²/Vs 和 0.052 cm²/s，且寿命与 ΔE_F呈反相关。该研究提供了一种统一的方法来测量载流子迁移率和寿命，为深入理解钙钛矿薄膜的载流子动力学提供了全面的视角，也为未来优化卤化物钙钛矿光伏器件性能奠定了坚实的理论基础，有助于推动光伏和光电子领域的进一步发展。