发布时间 : 星期三 文章钙钛矿太阳能电池的光物理原理更新完毕开始阅读3816787fe87101f69e3195c9
Sundstr?m和他的团队发表了一项最新的研究成果，他们发现，钙钛矿材料的激子的分离是与温度有一定关系的，并且在室温下，效率是小于100%的。我们最初对光激发机制的了解还是远远不够的，在进一步的研究之后，对于在目前和新的钙钛矿系统中，激子和自由电荷的分布的动力学相互作用和关系，有了进一步的认识。
3.2 钙钛矿薄膜的长程和平衡的电子空穴的扩散长度
2013年，当高效的基于钙钛矿结构的器件，在器件结构的长距离方面被报道的时候，钙钛矿双极电荷传输的迹象开始显现出来。作为一个吸收层（是在介孔TiO2光阳极和空穴传输材料HTM层之间的一层比较薄的钙钛矿层）钙钛矿材料有很好的表现。钙钛矿太阳能电池使用绝缘的Al2O3做支架来代替TiO2光阳极材料的实例表明，钙钛矿也可以作为吸收剂和用来电子传输。不用空穴传输层的钙钛矿电池可以用来作为吸收剂和空穴传输。
基于这些报告，.C. Sum 和N. Mathews的团队们合作，设计了一项淬火实验，实验利用CH3NH3PbI3具有选择性的电子和空穴提取的异质结飞秒瞬态光谱（时间分辨的光致发光和瞬态吸收），来研究这种材料的电子和空穴的动力学。利用扩散模型和保守的近似，我们的结果显示了用溶液处理的CH3NH3PbI3 ，其平衡和远程电子空穴的扩散长度至少为100纳米。
同样，使用相同的荧光淬灭法， H. J. Snaith 和他的团队， CH3NH3PbI3的电子空穴扩散长度和我们的一致，此外，他们报道的
扩散长度，卤化的CH3NH3PbI3-xClx比 CH3NH3PbI3 更长。但是目前还没有更加明确的原因来解释这个差异。然而，最近V. Sundstr?m和他的团队使用微波电导率来监测光电导动力学而不是光致发光衰变，发现光生载流子扩散长度可以超过5μm。 H. J. Snaith 和他的团队最近还研究了 HC(NH2)2PbI3系统（甲级阳离子是有较大的阳离子取代），并且发现虽然他们的电子和空穴扩散长度比较长，效率也达到了14%，但他们在HC(NH2)2PbI3 不平衡。尽管对于CH3NH3PbX3 系统，其平衡性的特征是独特的，但是，这些工作证明了钙钛矿的电子空穴扩散长度确实比大多数水溶液处理的通常为10nm长度的材料更加长一些。较长的扩散长度让电荷在他们重组之前能够提取出来。因此，这些钙钛矿太阳能电池的效率更高。
L. M. Herz和H. J. Snaith 合作，利用瞬态thz光谱，来研究长电子空穴扩散长度的起源，解释载流子的迁移率。单分子层（第一阶，即，从成双重组激子和/或陷阱或杂质辅助重组）和双分子（二阶）电荷载体，后者的速度比计算的慢四个数量级。然而，三维复合的速率，比高度掺杂的硅晶片更高一些，但与强约束的胶子量子点相比。电荷载流子迁移率的下限值分别是11.6 cm2V-1s-1和 ~8 cm2V-1s-1。这对于溶液处理的钙钛矿而言是非常高的，是介孔TIO2层的20倍大。电子空穴扩散长度的起源来自这些钙钛矿中，从低的电荷载流子的复合率和高的载流子迁移率的的结合。这些结果与最近V. Sundstr?m和他的合作者进行的一项研究是一致的，他们使用光致发光光谱和瞬态微波光电导谱技术，研究温度对CH3NH3PbI3薄膜
激子解离和复合和载流子迁移率的影响，他们发现在室温下的载流子迁移率很高，由于声子散射的抑制，会随着温度的降低而增高。另外，他们的工作有助于降低双分子重组率，计算出的朗限–75 MeV活化能是需要在启动第二阶电荷复合钙钛矿。这些详细的对基本物理过程的了解是优化新的钙钛矿材料光伏应用的关键。
3.3 热控冷却，多粒子过程，放大的自发辐射和钙钛矿薄膜的激光
T. C. Sum和同事研究了CH3NH3PbI3系统。早期中的载流子动力学，飞秒TAS选择400 nm和600 nm泵浦激发的测量（密度＜1.3μJ/cm2）和WLC探头发现慢0.4 PS热孔的冷却过程中从更深的层次上VB2（下面的价带边（VB1））以VB1–见图4（a），（b）和（c）。因此，可以制作HTM能级，在他们冷却至Vb之前，有效提取这些高空穴的能量。这可能有超过理论限制的优势。在这一方面进行进一步的研究，我们意识到，由于他们得光吸收系数和电荷唱的扩散长度，钙钛矿系统的载流子动力学在泵浦能量密度的依赖性还是很强的。在钙钛矿材料超快光谱的泵浦能量密度控制，是研究他们内在的光物理性质必不可少的。多粒子俄歇（第三阶）的重组过程中成为主导泵注量＞2.6μJ/cm2。事实上，我们最近发现，在泵注量＞12μJ/cm2，放大的自发辐射（ASE）盛行甚至outcompetes俄歇过程[ 6 ]–可能通过电子空穴等离子体允许光学增益发生。低阈值ASE源于大的吸收系数，低的缺陷密度和相对较慢的螺旋体重组。通过时间和能量依赖的光致发光光谱，L. M. Herz和同事表明ch3nh3pbi3 xclx具有发
射线宽展宽适合放大飞秒脉冲，这一发现进一步支持我们的观察。然而，我们光学增益的示范，自然形成的钙钛矿晶体中波长可调谐的放大的自发辐射的例子说明，好太阳能电池也是一个很好的光发射器。使用一个分布式布拉格反射器，hj.smith和RH合作证明了激光，见图四。因此更具体的说，光致发光或更明确的说，钙钛矿材料器件的电发光量子效率可能是优化新的盖天矿材料的关键因素。 3.4钙钛矿薄膜的光物理过程的总结
图5显示了一个在钙钛矿薄膜里，各种包含光物理过程和松弛的机制的广泛物理过程和相互作用的体系。在低光的光强度的光致激发，产生的电子空穴对，将迅速形成高度离域的激子。他们的结合能量与室温下的热能量。激子的自发的解离就会发生，导致在膜上激子和自由的载流子共存。单分子会一维的复合过程，就像束缚的电子空穴对，和陷阱辅助的复合其实是微不足道的。在较强的光照强度下，双分子的复合过程比如自由电子和空穴的复合，也在至少2-4阶，低于计算出的L复合。多粒子的重组过程是显性的，最终失去了ASE /激光在更高的泵浦能量密度。可能是从电子空穴等离子体形成的光学增益。然而，在裸露的钙钛矿薄膜上，没有电子提取出来，激发的物质（激子和自由载流子）有辐射（发光）或者在钙钛矿中，没有辐射过程。
通常情况下，在太阳光照条件下，（低密度的激发，俄歇复合或ASE会强烈抑制）。在非辐射途径（成双重组，陷阱辅助复合和俄歇复合）弱或不活跃的太阳光强度下，这是可以理解的是，这些钙钛矿