利用飞秒-纳米时空分辨光电子显微技术研究钙钛矿多晶薄膜中的微纳载流子动力学

Photovoltaic device based on perovskite emerged in recent years with the highest power conversion efficiency 22.7% that has been attracted tremendous attention as the next generation photovoltaic device. Meantime research, that is focusing on the photophysics of perovskite material and device, is payed wide concern with some essential achievement have been revealed already. The microscopic photodynamic mechanism research of the polycrystalline thin film used in the perovskite solar cells must break through the diffraction limit considering that the grain size is varied between tens of nanometer to micrometer. This project is aimed at the microscopic carrier dynamics of perovskite thin films employing the fs-nm spatiotemporal resolution system which including the microscopic mechanism of the charge separation in perovskite, the effect of grain boundaries on carrier dynamics, and the local characteristics of carrier transport. Furtherly, these conclusions revealed above will be applied to non-lead perovskite materials. The goal is to address the micro-kinetic behavior of perovskite materials and to guide the design of new perovskite materials.

基于钙钛矿的新型光伏器件近年来异军突起，最高效率达到22.7%，成为最受关注的新一代光伏器件。材料与器件的光物理研究也引起了广泛关注，并取得了丰硕成果。钙钛矿薄膜中的光吸收层是多晶薄膜，晶粒的尺度在百纳米至微米的范围，因此要研究薄膜微观的光动力学机理就必须突破衍射极限。本项目采用飞秒-纳米高时空分辨系统研究钙钛矿薄膜的微观动力学。主要的研究的内容是：电荷分离的微观机理，晶粒边界对载流子动力学的作用，载流子传输的微纳局域特性，并将这些结论应用于非铅钙钛矿材料。目标是解决钙钛矿材料的微纳动力学行为，并指导新型钙钛矿材料的设计。

钙钛矿新型光电功能材料引起了广泛关注。本项目针对钙钛矿核心薄膜层的时空动力学展开了研究。一方面，由于钙钛矿薄膜中的光吸收层是多晶薄膜，晶粒的尺度在百纳米至微米的范围，因此我们利用光发射电子显微镜的超光学衍射极限空间分辨作为研究手段，并结合飞秒激光光源，实现了超高时空分辨实验系统。.项目对钙钛矿薄膜中的载流子及缺陷态动力学展开了研究，成功实现了对晶粒内部载流子产生及传输，晶粒表面缺陷态分布，及其对电荷的俘获的观察。研究表明，在晶粒内部主要是浅能级缺陷，对光激发后的载流子输运几乎没有影响；而在晶体表面则广泛存在着由于元素缺失造成的缺陷。光激发后的载流子高速输运到晶粒表面，输运时间仅为2皮秒左右。载流子被表面的缺陷所俘获，并成为复合的主要路径，复合时间为几十皮秒。尽管在晶粒内部和表面都存在着缺陷的不均匀性，但是这一物理过程及时间特征均极为类似。这一研究确立了晶粒边界对载流子动力学的作用，证明广泛存在的边界态是影响载流子输运的关键因素，为表面态的优化提供了物理基础。.此外，我们还利用超高时空分辨系统对钙钛矿系统的极化激元激射进行了系统性的研究，从多角度揭示了光激发产生激射的物理过程。这一系统性研究包括利用光发射电子显微镜以几十纳米的尺度对钙钛矿微腔中的极化激元模式进行实空间观察和描述；利用光学的显微-克尔-光谱这一时空光谱手段描述激射时空模式，并对多种尺度的微腔展开研究，由此提出控制钙钛矿微腔激射模式的方案；利用调节薄膜紧密程度观察内部载流子与激子的动态平衡。这些研究对深入理解钙钛矿材料中载流子的行为及相关的激射行为提供了直接的实验依据。