19 Mar
应用分享 | MAPbI3半导体薄膜材料的时间分辨光致发光
有机和无机卤化物钙钛矿半导体家族因其优异的光学和电学性能而受到科学家和产业界的重点关注。近年来，基于此类半导体材料已经研发出了具备超高能量转换效率（22%）的高性能光伏器件以及高性能的发光二极管。然而，有机-无机卤化物钙钛矿半导体及相关器件的物理化学特性和潜在机理还没有得到更好的理解，其中辐射复合是制备高性能的太阳能电池和LED的过程中最需要考虑的因素。
因此，详细了解钙钛矿材料中的光子吸收以及光激发态的复合对于提高合成材料的质量和潜在性能具有重要意义。
实验装置
化学成分为CH3NH3PbI3的钙钛矿层由溶液沉积到蓝宝石衬底上，详细的操作流程参见文献1，随后将样品粘附在铜制支架上，最后将样品固定在封闭循环氦低温的恒温器中。系统的激发光源为脉冲倍频Nd-YAG激光器（Innolas SpitLight Compace 100，10Hz），通过中性密度衰减片调节入射光的能量，使照射到样品上的激光能量为0.1mJ/cm2，样品的光致发光信号由透镜组收集，通过光纤传输给探测系统，其中通过长通滤光片（550nm）过滤激发光源的信号，探测系统由单色仪（型号为Andor Shamrock 303i，配有150l/mm，闪耀波长为500nm的光栅）和探测器（增强型CCD检测器，型号为Andor iStar DH320-T-18U-73）组成，采集光谱时ICCD的门宽设为2.5ns，步长为2.5ns，具体的实验装置如图1。
图1: 实验装置
实验结果
图2展示了不同延迟时间的光致发光光谱曲线，光致发光信号的强度随着环境温度升高而降低，尤其需要说明的是，环境温度为125K时，发射曲线蓝移到高能量谱段，光致发光的峰分为两个特征峰。
图2: 不同延迟时间和不同温度下记录的MAPbI3薄膜的光致发光光谱
由于光致发光光谱的线型比较复杂，因此分析光致发光信号的衰减动力学是非常困难的，但是在此系统中设置不同的延迟时间，通过分析不同时间节点的光致发光光谱的强度变化可以抽提出光致发光信号的衰减动力学变化曲线，图3给出了不同环境温度下光致发光信号强度的衰减动力学过程，光致发光信号的强度由光谱信号的强度对波长的积分获得，衰减曲线表明在低温时下光致发光的信号衰减的更快。
图3: 不同温度下MAPbI3样品的光致发光动力学
总结
我们发现钙钛矿半导体的光致发光光谱展现了非常复杂的温度依赖性，不同延迟时间的光致发光光谱表明实验中使用的材料在吸收光子的过程中发生相变。本篇应用报告中使用的实验装置非常适合钙钛矿材料的时间分辨光致发光光谱以及时域上的衰减动力学的研究。
致谢
非常感谢Johannes Kepler大学有机太阳能电池研究所的Markus Clark Scharber教授。
Citation
1. Adam G., et al., Solution processed perovskite solar cells using highly conductive PEDOT: PSS interfacial layer, Solar Energy Material & Solar Cells Solution, 2016,157,318
