龍閏老師 Angew. Chem. Int. Ed. 論文介紹
近年來，有機-無機雜化鈣鈦礦材料成為光伏能源領(lǐng)域的明星材料，受到了廣泛關(guān)注。通常認為鈣鈦礦具有優(yōu)秀的缺陷容忍性，對激發(fā)態(tài)壽命影響很小。但是，聲子協(xié)助的非輻射電荷復合導致激發(fā)態(tài)電子能量損失，阻礙了光伏器件效率的持續(xù)提高。材料和器件通常暴露在空氣中，水分對器件的性能影響十分顯著。實驗發(fā)現(xiàn)水對鈣鈦礦激發(fā)態(tài)壽命有正面和負面的影響，但是其背后的物理機制不清楚。我們前期的工作表明，少量的水份降低了電聲耦合，延緩非輻射電子-空穴復合，大量的水分形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，增強了非絕熱耦合強度，加快了復合 (J. Phys. Chem. Lett., 2016, 7, 3215−3222)。
但是從未有人考慮過缺陷和水的相互作用如何影響鈣鈦礦材料的載流子壽命。因此，北京師范大學龍閏教授和方維海院士課題組選取CH3NH3PbI3為研究對象，采用含時密度泛函理論和非絕熱分子動力學模擬，研究了鉛空位和水的相互作用影響CH3NH3PbI3非輻射電子-空穴復合動力學。計算表明當水存在時，中性和帶電的鉛空位的形成能小于-2 eV, 可以自發(fā)形成，是影響電子結(jié)構(gòu)和激發(fā)態(tài)動力學性質(zhì)的重要缺陷。特別地，含有鉛空位的CH3NH3PbI3引入空穴淺能級局域態(tài)與價帶邊融合，削弱了基態(tài)與激發(fā)態(tài)的電聲耦合，降低了非輻射電子-空穴復合時間能量。當水分子與空位同時存在時，鉛空位附近的未飽和碘原子形成碘二聚體，引入深能級電子捕獲態(tài)，加速電子-空穴復合，復合時間約縮短為原始CH3NH3PbI3體系的1/4。有趣地是，-2價的鉛空位會破壞碘二聚體，減小基態(tài)與激發(fā)態(tài)的非絕熱耦合強度，延長非輻射復合時間至原始體系的2倍。本工作獨辟蹊徑，從缺陷角度解釋了水對鈣鈦礦載流子壽命正面和負面地影響，加深了對鈣鈦礦太陽能電池的激發(fā)態(tài)動力學的理解。
這一成果“The Interplay between Lead Vacancy and Water Rationalizes the Puzzle of Charge Carrier Lifetimes in CH3NH3PbI3: Time‐Domain Ab Initio Analysis” 近期發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.202004192) 。
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