Nature Commun:钙钛矿界面修饰CsPbBr3/PDI界面电荷传输

纳米

2020-04-21

代尔夫特工业大学Ferdinand C. Grozema等报道了一种通过新颖方法将分离二维钙钛矿材料电荷的方法，二维钙钛矿材料具有较大的激子结合能，并因此影响了其在太阳能电池、光探测器、光催化中的应用，通过在二维钙钛矿上引入较强的电子受体（二酰亚胺有机发色团），实现了改善载流子迁移率的效果，实现了10倍更高产率得到载流子，并且载流子的寿命达到数十微秒（与未添加二酰亚胺有机发色团的情况比较，呈两个数量级的提高）。该工作通过将钙钛矿表面引入有机发色团，是一种调节钙钛矿材料性能的新方法。

本文要点：

（1）钙钛矿合成方法。首先合成二维CsPbBr₃纳米粒子：使用油酸铯和PbBr₂在丙酮反溶剂中反应，制备二维CsPbBr₃纳米粒子（大小：5×10 nm，厚度：~1.5 nm），其荧光激发光为450 nm，和二酰亚胺的激发光明显区别（520 nm）。在50 ℃温度中将CsPbBr₃和二酰亚胺分子在己烷中加热处理，进而通过静电作用，油酸吸附在Cs⁺上，二酰亚胺吸附在PbBr₃^-上。

（2）皮秒荧光测试。通过400 nm的光激发纳米粒子，实现CsPbBr₃的吸收较强，二酰亚胺的吸收较弱。实验发现加入二酰亚胺分子后，体系的荧光寿命发生明显衰减（由~600 ps（半衰期）降低为~16 ps的寿命）。

电子传输瞬态光谱。通过飞秒瞬态吸收光谱研究电荷传输过程，通过~180 fs长度400 nm的激光进行激发，结果显示：~448 nm激子吸收展现出380~480 nm宽吸收，并且吸收谱随着时间增加没有改变，说明体系中只有单激发态。结果发现瞬态吸收谱的衰减过程有两种，分别为3 ps和1470 ps。快速的衰减过程对应于界面缺陷态，缓慢的衰减过程对应于钙钛矿和二酰亚胺之间的电荷传递。

空穴传输过程光谱。通过510 nm的光激发（对应于二酰亚胺最高的吸收强度，单独的二酰亚胺分子衰减为3.8~4 ns），结果显示二酰亚胺和CsPbBr₃之间的空穴传输速率为1.5 ps，与之相比电荷的传输速率为12.6 ps。

光电导率测试。通过时间分辨微波测试（time-resolved microwave conductivity, TRMC）（微波测试方法只对自由电子载流子有响应性，对缺陷电子和中性的激子无响应性），结果显示：分别使用~2.5 ns的410 nm（激发CsPbBr₃）和510 nm（激发二酰亚胺分子）激光激发，结果显示两种情况中修饰二酰亚胺分子的体系中光电导寿命更长，无修饰二酰亚胺分子的CsPbBr₃寿命更低，单独的二酰亚胺分子光激发后没有导电性。

参考文献

María C. Gélvez-Rueda; Magnus B. Fridriksson; Rajeev K. Dubey; Wolter F. Jager; Ward van der Stam; Ferdinand C. Grozema*

Overcoming the exciton binding energy in two-dimensional perovskite nanoplatelets by attachment of conjugated organic chromophores，Nat Commun 2020, 11, 1901

DOI：10.1038/s41467-020-15869-7

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15869-7