PL光致發(fā)光在鈣鈦礦太陽能電池研究中的重要作用

發(fā)表時(shí)間：2025-08-15 12:00

在鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的研究中，光致發(fā)光（Photoluminescence, PL）技術(shù)因其靈敏、無損、快速的特點(diǎn)，成為表征鈣鈦礦材料性質(zhì)與器件性能的核心手段之一。它通過分析材料在光激發(fā)下發(fā)射的熒光信號(hào)（強(qiáng)度、峰位、半峰寬、壽命等），揭示鈣鈦礦的結(jié)晶質(zhì)量、缺陷狀態(tài)、載流子動(dòng)力學(xué)及界面特性等關(guān)鍵信息，為優(yōu)化材料制備與器件結(jié)構(gòu)提供重要指導(dǎo)。

一、評(píng)估鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量與純度

鈣鈦礦的結(jié)晶質(zhì)量直接影響其載流子遷移率和復(fù)合速率，而 PL 信號(hào)對(duì)結(jié)晶度高度敏感：

PL 強(qiáng)度：高結(jié)晶度的鈣鈦礦薄膜通常具有更高的 PL 強(qiáng)度。這是因?yàn)榻Y(jié)晶完善的材料中，原子排列有序，缺陷（如空位、錯(cuò)位）更少，載流子非輻射復(fù)合（無熒光發(fā)射的復(fù)合）概率降低，更多載流子通過輻射復(fù)合（產(chǎn)生熒光）釋放能量。反之，低結(jié)晶度薄膜因缺陷多，非輻射復(fù)合增強(qiáng)，PL 強(qiáng)度會(huì)顯著下降。

PL 峰位與半峰寬（FWHM）：純相鈣鈦礦（如 MAPbI?、FAPbI?）的 PL 峰位固定（如 MAPbI?約在 780 nm），且半峰寬較窄（通常 < 50 meV）。若 PL 峰位偏移或半峰寬變寬，可能暗示薄膜中存在雜相（如未反應(yīng)的 PbI?、有機(jī)陽離子缺陷）或晶格畸變，需優(yōu)化制備工藝（如退火溫度、前驅(qū)體比例）以減少雜相。

例如，通過對(duì)比不同退火溫度下的 PL 光譜，可快速確定**退火條件（如 100℃退火的 PL 強(qiáng)度最高、半峰寬最窄），指導(dǎo)制備高結(jié)晶質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。

二、表征缺陷態(tài)與載流子非輻射復(fù)合

鈣鈦礦中的缺陷（如碘空位、鉛間隙）是載流子非輻射復(fù)合的主要中心，嚴(yán)重限制器件效率（如開路電壓）。PL 技術(shù)可靈敏探測(cè)缺陷狀態(tài)：

缺陷誘導(dǎo)的 PL 淬滅：缺陷濃度越高，非輻射復(fù)合越強(qiáng)，PL 強(qiáng)度越低。通過 PL 強(qiáng)度的相對(duì)變化，可定性比較不同樣品的缺陷密度（如對(duì)比未摻雜與摻雜鈣鈦礦的 PL 強(qiáng)度，判斷摻雜是否有效鈍化缺陷）。

低溫 PL 光譜：低溫下（如 77 K），熱激發(fā)對(duì)載流子的影響減弱，缺陷能級(jí)的 PL 信號(hào)更易分辨。例如，鈣鈦礦中深能級(jí)缺陷可能在低溫 PL 光譜中出現(xiàn)額外的弱峰，通過分析峰位可確定缺陷能級(jí)位置，為缺陷鈍化策略（如添加有機(jī)胺、堿金屬離子）提供依據(jù)。

例如，研究發(fā)現(xiàn)，在鈣鈦礦中引入胍鹽（如 GuaI）可顯著增強(qiáng) PL 強(qiáng)度，說明胍鹽有效鈍化了缺陷，減少了非輻射復(fù)合。

三、研究載流子動(dòng)力學(xué)過程

載流子（電子 - 空穴對(duì)）的產(chǎn)生、擴(kuò)散、復(fù)合及提取效率是決定 PSCs 效率的核心因素，時(shí)間分辨 PL（Time-Resolved PL, TRPL）技術(shù)可定量分析這些動(dòng)力學(xué)過程：

載流子壽命（τ）：TRPL 通過監(jiān)測(cè)熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減，獲得載流子壽命（如 τ?為快速衰減組分，對(duì)應(yīng)界面復(fù)合；τ?為慢速衰減組分，對(duì)應(yīng)體相復(fù)合）。長(zhǎng)壽命意味著載流子更易被電極提取，而非復(fù)合損失。例如，優(yōu)化電子傳輸層（ETL）與鈣鈦礦的界面后，載流子壽命從 10 ns 延長(zhǎng)至 50 ns，表明界面復(fù)合被有效抑制。
載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度（L）：結(jié)合 PL 成像與空間分辨技術(shù)，可通過熒光信號(hào)的空間衰減速率計(jì)算載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度（L = √(D?τ)，D 為擴(kuò)散系數(shù)）。高 - quality 鈣鈦礦的擴(kuò)散長(zhǎng)度可達(dá)微米級(jí)（如 1-10 μm），而缺陷會(huì)縮短擴(kuò)散長(zhǎng)度，導(dǎo)致載流子在到達(dá)電極前復(fù)合。

四、表征鈣鈦礦與電荷傳輸層的界面特性

PSCs 的效率很大程度上依賴于鈣鈦礦與電子傳輸層（ETL，如 TiO?、C??）、空穴傳輸層（HTL，如 Spiro-OMeTAD）的界面相容性。PL 技術(shù)可直觀反映界面載流子提取效率：

界面 PL 淬滅效應(yīng)：當(dāng)鈣鈦礦與 ETL/HTL 接觸良好時(shí)，光激發(fā)產(chǎn)生的載流子會(huì)被快速提取到傳輸層，導(dǎo)致鈣鈦礦層的 PL 強(qiáng)度顯著降低（“淬滅”）。反之，若界面存在勢(shì)壘或缺陷，載流子提取受阻，PL 淬滅不明顯，甚至因界面復(fù)合增強(qiáng)而 PL 強(qiáng)度異常。
例如，對(duì)比鈣鈦礦 / ETL 異質(zhì)結(jié)與純鈣鈦礦的 PL 強(qiáng)度：若前者 PL 強(qiáng)度僅為后者的 10%，說明 ETL 對(duì)電子的提取效率高；若 PL 強(qiáng)度下降不足 50%，則需改進(jìn)界面修飾（如插入自組裝單分子層）以增強(qiáng)載流子提取。

五、監(jiān)測(cè)鈣鈦礦的穩(wěn)定性與降解過程

鈣鈦礦的長(zhǎng)期穩(wěn)定性（如光照、濕度、熱穩(wěn)定性）是其商業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸，PL 技術(shù)可實(shí)時(shí)追蹤降解過程：

PL 信號(hào)隨時(shí)間的變化：鈣鈦礦降解（如離子遷移、晶相轉(zhuǎn)變、分解為 PbI?）會(huì)導(dǎo)致 PL 強(qiáng)度下降、峰位藍(lán)移（如 MAPbI?降解為 PbI?時(shí)，PL 峰從 780 nm 藍(lán)移至 520 nm）或半峰寬變寬。通過監(jiān)測(cè) PL 光譜的演變，可評(píng)估不同老化條件（如 85℃熱老化、60% 濕度）下的降解速率，篩選穩(wěn)定化策略（如封裝、摻雜）。
光致降解的原位監(jiān)測(cè)：持續(xù)光照下，鈣鈦礦可能因光生載流子誘導(dǎo)的缺陷生成而降解。原位 PL 測(cè)試可捕捉 PL 強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)衰減，揭示光穩(wěn)定性機(jī)制（如是否因氧擴(kuò)散加速降解）。

六、優(yōu)化大面積器件的均勻性

大面積 PSCs 的效率通常低于小面積器件，主要源于薄膜均勻性差（如局部缺陷、厚度波動(dòng)）。PL 成像技術(shù)（如熒光顯微鏡）可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)空間分辨的 PL 信號(hào)分布表征：

PL 強(qiáng)度分布：均勻的 PL 強(qiáng)度分布表明薄膜結(jié)晶質(zhì)量一致；局部 PL 強(qiáng)度驟降的區(qū)域可能存在缺陷或針孔，需優(yōu)化涂布工藝（如刮刀速度、前驅(qū)體濃度）以改善均勻性。
大面積 PL mapping：通過 PL 成像可快速識(shí)別大面積薄膜中的 “弱區(qū)”（如邊緣效應(yīng)、團(tuán)聚物），為規(guī)?；苽洌ㄈ缇韺?duì)卷工藝）提供優(yōu)化依據(jù)。

總結(jié)

PL 技術(shù)在鈣鈦礦太陽能電池研究中扮演著 “多面手” 角色，從材料合成到器件優(yōu)化，從基礎(chǔ)機(jī)理到穩(wěn)定性評(píng)估，均能提供關(guān)鍵信息。其與其他表征手段（如 XRD、XPS、AFM）的結(jié)合，可更全面地解析鈣鈦礦的結(jié)構(gòu) - 性能關(guān)系，推動(dòng)高效、穩(wěn)定的 PSCs 向商業(yè)化邁進(jìn)。

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