武汉理工大学王学文AS：二维钙钛矿中超快光激发诱导非热晶格膨胀

Wiley

2026-01-22

研究背景

金属卤化物钙钛矿太阳能电池，凭借其卓越的光电性能和低成本潜力，一直是光伏领域耀眼的“未来之星”。然而，其商业化道路被光稳定性这一核心难题牢牢阻断。在光照下，钙钛矿会发生多种结构变化，包括诱发亚稳态缺陷态、离子迁移、相分离，或产生晶格应变分布，以及出现宏观光致伸缩现象。这些变化大多会损害薄膜质量、缩短载流子寿命，最终导致器件性能衰退。为此已有多种方法试图揭示光激发下钙钛矿的结构动力学机制。在高密度载流子被激发后，库仑屏蔽效应会显著屏蔽载流子-声子相互作用，导致铅-卤-铅键角或铅-卤键键长发生改变，在超快时间尺度上引发八面体结构的畸变或膨胀。此类光致晶格膨胀现象已在多种三维与二维钙钛矿材料中被实验观测。这种晶格结构的改变会显著影响材料的带隙、载流子复合及缺陷弛豫过程，最终主导器件性能。因此，深入理解超快激光脉冲与钙钛矿材料相互作用过程，或能实现对钙钛矿性能的主动设计，开启钙钛矿性能调控的全新范式，推动其走向实际应用。

文章概述

武汉理工大学先进材料与器件飞秒光制造中心王学文教授团队通过含时密度泛函理论计算与实验相结合，首次揭示二维Dion-Jacobson钙钛矿在超快光激发下的关键结构演化。研究发现在光激发作用下，Pb-I键长增加引发非热晶格膨胀，并导致材料带隙增大。该结构变化同时改善了晶体结晶度、降低了表面缺陷密度，产生表面钝化效应。这种钝化作用显著延长了载流子寿命、降低了载流子复合率，最终使光伏器件的光电转换效率从12.43%提升至14.05%。此外，未封装的优化器件在室温环境中储存1600小时后仍能保持95%以上的初始效率。

图文导读

图1. 超快光激发诱导准二维(PDA)(FA)_n-1Pb_nI_3n+1 (n = 4)钙钛矿晶格膨胀的机制。(a) 超快光激发诱导晶格膨胀过程的示意图。(b) 在1.266 eV光子能量光激发下，Pb-I平均键长（红色散点）和晶格温度（蓝色散点）随时间的变化关系。蓝色曲线为晶格温度的拟合结果。(c) 原始及光激发后钙钛矿的晶格结构及其对应能级示意图。(d) 通过Perdew-Burke-Ernzerhof泛函计算得到的原始准二维钙钛矿（蓝色曲线）与光激发后钙钛矿（红色曲线）在120 fs时刻的能带结构及态密度分布。

图2. (PDA)(FA)_n-1Pb_nI_3n+1 (n = 4) 钙钛矿薄膜在不同延迟时间下的载流子动力学。(a) 在3.1 eV泵浦脉冲激发后，载流子经历热化过程并逐渐冷却到带边的示意图。(b-d) 快延迟时间尺度0.2-100 ps内，不同光子通量条件下钙钛矿薄膜的载流子动力学：(b) F = 1.74 × 10¹⁶ photons·cm^-2；(c) F = 3.41 × 10¹⁶ photons·cm^-2；(d) F = 6.83 × 10¹⁶ photons·cm^-2。(e) 0.6 ps延迟时间下，基态漂白信号初始位置随载流子密度增加而发生蓝移。(f) 在3 ps延迟时间下，2.1 eV与2.3 eV处ΔA随光子通量的变化关系。(g)在光子通量F = 6.83 × 10¹⁶ photons·cm^-2条件下，2.1 eV与2.3 eV处ΔA随延迟时间的变化曲线。

图3. 超快光激发诱导晶格膨胀对准二维(PDA)(FA)_n-1Pb_nI_3n+1 (n = 4)钙钛矿薄膜材料特性的影响。(a) 光激发前后钙钛矿薄膜的X射线衍射图谱。(b) 基于Heyd-Scuseria-Ernzerhof泛函计算的钙钛矿薄膜能带结构，其中蓝色曲线代表原始样品，橙色曲线代表体积膨胀1%的样品。(c) 光激发前后钙钛矿薄膜的Tauc曲线。(d) 不同条件下钙钛矿薄膜的光致发光光谱。(e)原始钙钛矿薄膜与(f) 光激发后钙钛矿薄膜的瞬态吸收光谱。(g) 对应(e)和(f)中薄膜的光诱导漂白信号动力学分析及三指数拟合结果。(h) 光激发前后钙钛矿薄膜的时间分辨光致发光谱。(i) 光激发下晶格膨胀导致载流子复合速率降低的示意图。

图4. 器件性能与稳定性表征。(a) 超快光激发处理前后(PDA)(FA)_n-1Pb_nI_3n+1 (n = 4)钙钛矿太阳能电池的光电转换效率对比。25个器件的(b) 开路电压与(c) 光电转换效率统计分布。(d) 未封装器件在空气环境中持续1500小时的老化测试归一化效率的变化。(e) 光激发处理前后器件在85°C高温环境下500小时的热稳定性。(f) 经150分钟光照后，光激发处理前后未封装器件的归一化效率对比。

期刊简介

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