解析影響鈣鈦礦太陽能電池PLQY光致發(fā)光量子產(chǎn)率的因素

發(fā)表時間：2025-08-14 14:06

鈣鈦礦太陽能電池的 PLQY（光致發(fā)光量子產(chǎn)率）本質(zhì)上反映了光激發(fā)產(chǎn)生的電子 - 空穴對中，通過輻射復(fù)合（發(fā)光） 與非輻射復(fù)合（無發(fā)光能量損失） 的競爭關(guān)系：PLQY 越高，說明輻射復(fù)合占比越高，非輻射復(fù)合占比越低。因此，所有影響這兩種復(fù)合過程的因素，都會直接或間接影響 PLQY。

具體可分為以下幾類：

一、材料本征性質(zhì)：決定復(fù)合機制的核心

1. 缺陷態(tài)密度與類型

缺陷的影響：鈣鈦礦材料中的缺陷（如空位、間隙原子、晶界缺陷等）是非輻射復(fù)合的主要中心。缺陷會捕獲載流子（電子或空穴），導(dǎo)致其通過非輻射路徑（如缺陷能級間的躍遷）釋放能量，而非以光子形式發(fā)射。

例如：鉛空位（V_Pb）、碘間隙原子（I_i）等缺陷會形成深能級陷阱，顯著增強非輻射復(fù)合，導(dǎo)致 PLQY 下降；
淺能級缺陷對非輻射復(fù)合的影響較弱，但若濃度過高，仍會降低 PLQY。

缺陷來源：材料合成過程中的化學計量比失衡（如鉛鹽與有機胺鹽比例不當）、結(jié)晶過程中的動力學不穩(wěn)定（如快速結(jié)晶導(dǎo)致晶粒無序）等，都會增加缺陷密度。

2. 結(jié)晶度與晶粒質(zhì)量

高結(jié)晶度的鈣鈦礦薄膜通常具有更大的晶粒尺寸和更少的晶界：

晶界處原子排列無序，易形成缺陷（如未配位的離子），是非輻射復(fù)合的 “熱點”；
大晶粒可減少晶界密度，降低載流子在晶界處的非輻射復(fù)合概率，從而提高 PLQY。

反之，低結(jié)晶度薄膜（如含有大量非晶相或小晶粒）因晶界密集，PLQY 通常較低。

3. 化學組分與stoichiometry（化學計量比）

鈣鈦礦的典型化學式為ABX₃（如MAPbI₃)、(FAPbI₃），A、B、X 位的元素比例直接影響缺陷形成：

例如：PbI₂過量會導(dǎo)致薄膜中殘留PbI₂相，其與鈣鈦礦的界面易形成缺陷，促進非輻射復(fù)合；
A 位陽離子（如 MA?、FA?）比例失衡可能導(dǎo)致晶格畸變，增加缺陷密度，降低 PLQY。

二、薄膜與界面質(zhì)量：載流子復(fù)合的關(guān)鍵區(qū)域

1. 表面缺陷與表面態(tài)

鈣鈦礦薄膜的表面是缺陷最集中的區(qū)域之一（如表面未配位的 Pb2?離子、懸掛鍵等），這些表面缺陷會形成表面態(tài)，成為載流子非輻射復(fù)合的強中心：

表面缺陷越多，載流子在表面的非輻射復(fù)合概率越高，PLQY 越低；
例如：未鈍化的鈣鈦礦表面 PLQY 通常顯著低于體相，而通過表面鈍化（如用有機胺分子、無機鹽修飾）可減少表面缺陷，提升 PLQY。

2. 界面能級匹配與載流子積累

鈣鈦礦與電荷傳輸層（HTL/ETL，如Spiro-OMeTAD、TiO?）的界面若存在能級失配，會導(dǎo)致載流子在界面處積累：

例如：若 HTL 的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）高于鈣鈦礦的價帶頂，空穴難以從鈣鈦礦向 HTL 傳輸，導(dǎo)致空穴在界面積累，與電子發(fā)生非輻射復(fù)合；
載流子積累會顯著增強非輻射復(fù)合，降低 PLQY（即使鈣鈦礦本體質(zhì)量良好）。

三、激發(fā)條件與環(huán)境因素：外部調(diào)控的影響

1. 激發(fā)強度與載流子濃度

低激發(fā)強度下：載流子濃度低，非輻射復(fù)合主要由缺陷主導(dǎo)（缺陷捕獲載流子），PLQY 隨激發(fā)強度升高而增加（缺陷被飽和）；
高激發(fā)強度下：載流子濃度過高，可能觸發(fā)俄歇復(fù)合（一種載流子 - 載流子間的非輻射復(fù)合，能量轉(zhuǎn)移給第三個載流子），導(dǎo)致 PLQY 隨激發(fā)強度升高而下降。

2. 溫度

溫度通過影響復(fù)合速率和缺陷活性調(diào)控 PLQY：

低溫（如 77 K）：非輻射復(fù)合的激活能較高，缺陷捕獲載流子的概率降低，輻射復(fù)合占比上升，PLQY 顯著提高；
高溫（如 300 K 以上）：熱激發(fā)使缺陷更易捕獲載流子，非輻射復(fù)合增強，同時俄歇復(fù)合速率隨溫度升高而加快，導(dǎo)致 PLQY 下降。

3. 環(huán)境穩(wěn)定性（水、氧、光照）

鈣鈦礦材料對水、氧和光照敏感，長期暴露會導(dǎo)致降解，引入新的缺陷：

水和氧會與鈣鈦礦反應(yīng)生成 PbI?、PbO 等雜質(zhì)相，這些雜質(zhì)相不僅本身無發(fā)光特性，還會在界面形成缺陷，促進非輻射復(fù)合；
長時間光照可能引發(fā)光致降解（如 A 位陽離子揮發(fā)、晶格畸變），增加缺陷密度，導(dǎo)致 PLQY 持續(xù)下降。

四、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化：間接調(diào)控 PLQY 的手段

1. 鈍化層設(shè)計

表面鈍化：通過引入有機分子（如 PEA?、DMSO）或無機鹽（如 CsI、RbCl），填補表面缺陷（如配位未飽和的 Pb2?），減少表面非輻射復(fù)合；
體相鈍化：在鈣鈦礦前驅(qū)體中摻雜少量鈍化劑（如胍鹽、硫脲），抑制體相缺陷形成，提升整體 PLQY。

2. 電荷傳輸層質(zhì)量

電荷傳輸層的導(dǎo)電性和缺陷密度會影響載流子的提取效率：若傳輸層電阻過高或存在缺陷，載流子在鈣鈦礦層內(nèi)的停留時間延長，非輻射復(fù)合概率增加，PLQY 降低；
例如：高質(zhì)量的 TiO? ETL（結(jié)晶好、缺陷少）可快速提取電子，減少鈣鈦礦層內(nèi)電子 - 空穴復(fù)合，提高 PLQY。

總結(jié)

PLQY 的核心影響因素可歸納為：缺陷態(tài)（濃度與類型）、結(jié)晶與界面質(zhì)量、載流子復(fù)合動力學（受激發(fā)條件和溫度調(diào)控）以及環(huán)境穩(wěn)定性。其中，缺陷控制（通過材料合成優(yōu)化、鈍化處理）是提升 PLQY 的關(guān)鍵 —— 因為非輻射復(fù)合主要由缺陷主導(dǎo)。

在鈣鈦礦太陽能電池研究中，高 PLQY光致發(fā)光量子產(chǎn)率通常對應(yīng)低非輻射復(fù)合損失，是器件高效光伏性能（如高 EQE、高開路電壓）的重要標志！！！

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