龍閏老師Nano Lett文章介紹二維層狀有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦激發(fā)態(tài)性質(zhì)：量子退相干主導(dǎo)非輻射電子-空穴復(fù)合動(dòng)力學(xué)
與CH3NH3PbI3為代表的三維有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦比較，二維Ruddlesden-Popper鈣鈦礦具有更好的熱穩(wěn)定性和較低的鉛濃度，是光伏領(lǐng)域冉冉升起的明星材料。其中，非輻射電子-空穴復(fù)合是激發(fā)態(tài)電子能量損失的主要途徑，是限制光電轉(zhuǎn)換效率的主要因素。實(shí)驗(yàn)（DOI: 10.1021/acsnano.6b04265）研究了二維鈣鈦礦(BA)2(MA)n−1PbnI3n+1 (n = 1, 2 and 3)激發(fā)態(tài)性質(zhì)和壽命，研究人員發(fā)現(xiàn)三層(BA)2MA2Pb3I10（n=3）比單層BA2PbI4(n=1)的激發(fā)態(tài)壽命長(zhǎng)。這一發(fā)現(xiàn)與直觀認(rèn)識(shí)相矛盾。這是因?yàn)椋?/span>①，(BA)2MA2Pb3I10比BA2PbI4帶隙小；②，(BA)2MA2Pb3I10有更加延展的無(wú)機(jī)Pb-I框架，且Pb與I是非絕熱耦合強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)者；③，(BA)2MA2Pb3I10包含輕的MA陽(yáng)離子，它產(chǎn)生的電場(chǎng)與電子和空穴直接耦合，進(jìn)一步增強(qiáng)非絕熱耦合強(qiáng)度。因此，三層材料激發(fā)態(tài)壽命應(yīng)該比單層材料長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和基于理論知識(shí)的直觀認(rèn)識(shí)矛盾的事實(shí)亟待更加細(xì)致的理論模擬計(jì)算，厘清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后深層次的物理原因。
方維海院士和龍閏老師課題組首次采用從頭算含時(shí)密度泛函理論結(jié)合非絕熱動(dòng)力學(xué)模擬，研究了(BA)2(MA)n−1PbnI3n+1 (n = 1, 3)的非輻射電子-空穴復(fù)合。模擬結(jié)果確實(shí)表明(BA)2MA2Pb3I10的非絕熱耦合確實(shí)比BA2PbI4大，符合先驗(yàn)認(rèn)識(shí)。但是，由于(BA)2MA2Pb3I10中的MA離子不僅增加了非絕熱耦合，而且加快了量子退相干。由量子芝諾效應(yīng)可知，量子退相干越快，電子躍遷發(fā)生越慢。當(dāng)量子退相干時(shí)間接近零時(shí)，電子躍遷幾乎停止。計(jì)算得到的一、三層鈣鈦礦電子-空穴復(fù)合時(shí)間與實(shí)驗(yàn)十分吻合，由退相干時(shí)間計(jì)算得到的熒光線寬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值也十分接近，兩者均說(shuō)明我們采用的計(jì)算方法是合理的。該研究突出了量子退相干在二維鈣鈦礦材料電子-空穴復(fù)合動(dòng)力學(xué)中扮演的至關(guān)重要的角色，并為優(yōu)化二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率提供了理論指導(dǎo)。（DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00035）。該論文第一作者是博士二年級(jí)學(xué)生張照勝。
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