基于铋基双钙钛矿光电材料光物理的研究

Bismuth-based double perovskites show high potential in replacing lead perovskites for photovoltaic, and other optoelectronic applications. Their high stability and low toxicity are the two advantages. However, till now, the photovoltaic performances based on bismuth double perovsiktes are still relatively poor, which impeding their further development. Understanding the photophysics and carrier dynamics of bismuth-based double perovskites is of great significance in gaining insight about their intrinsic limitations and developing methods to improve their performance. The project will employ ultrafast spectroscopy to investigate the photophysical properties and excitation dynamics of high-quality double perovskite polycrystalline films and single crystals, including exciton generation and dissociation, carrier diffusion, charge transfer and recombination, etc. This help us elucidate the structure/morphology-photophysics-performance relation; guide the material design and morphology optimization; and eventually pave the way for realizing low-cost, highly-performed, highly-stable and low-toxic perovskite photovoltaic and other optoelectronic devices.

铋基双钙钛矿结构材料是目前极具潜力能取代铅基钙钛矿成为光伏光电应用的热门材料。其稳定和低毒性是其中的两大亮点，然而，迄今为止，基于铋基双钙钛矿的光伏效率仍非常低，制约其进一步发展。了解铋基双钙钛矿材料的光物理属性及载流子动力学过程对于认知其内在局限性，提出改良优化方法从而提高光电效率至关重要。本项目将主要利用超快光谱学的手段研究铋基双钙钛矿薄膜和单晶中的激子产生与分解、载流子扩散、跃迁、复合等光电属性；认知其中的形貌结构-光物理-性能三者之间的关系；对形貌的优化和本征材料的设计提出指导意见，从而为最终实现价格低廉、高效、稳定、低毒的光伏及其他光电器件做好铺垫。

铋基双钙钛矿结构材料是目前极具潜力能取代铅基钙钛矿成为光伏光电应用的热门材料。其稳定和低毒性是其中的两大亮点，然而，迄今为止，基于铋基双钙钛矿的光伏效率仍非常低，制约了其在光伏领域的进一步发展。了解铋基双钙钛矿材料的光物理属性及载流子动力学过程对于认知其内在局限性，提出改良优化方法从而提高光电效率至关重要。本项目聚焦于铋基双钙钛矿大块单晶的生长及其掺杂调控，并结合超快光谱学的手段研究其中的载流子输运、电声耦合等重要物理过程。通过本项目的研究，我们发现铋基双钙钛矿不同于传统的铅基钙钛矿，其载流子同声学声子耦合的形变势能较强。在载流子与LO声子耦合之后约4.7 ps时间内迅速与高能量的声学声子耦合（声学声子平均能量约为 1 meV），被局域化在约3.7 nm的尺度范围内形成自陷态。该过程导致电子的迁移率在皮秒时间尺度内迅速下降了70%，从而解释了其时间平均载流子迁移率只有0.05 – 0.14 cm2s-1V-1，远低于铅基钙钛矿材料（1-100 cm2s-1V-1）。该项研究揭示了铯银铋溴双钙钛矿作为光伏材料有着本征局限。此外，我们通过对铋基双钙钛矿单晶进行锑、砣掺杂，实现了其带隙的调控优化，并创新性地提出利用相干声学声子振荡实现其带隙附近吸收系数的高精度测量。总之，本项研究加深了我们对铯银铋溴等铋基双钙钛矿材料的载流子输运复合物理过程的理解，对于新型铋基钙钛矿光伏及其他光电应用的设计起着重要的指导意义。