近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院劉偉民課題組通過(guò)可見(jiàn)和中紅外波段飛秒瞬態(tài)吸收光譜，首次在MAPbI₃鈣鈦礦中觀(guān)測(cè)到具有6微米中紅外輻射的深層表面缺陷態(tài)，為深入理解鈣鈦礦缺陷態(tài)的機(jī)制提供了新見(jiàn)解。研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）。

金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其優(yōu)異的光電性能備受關(guān)注，但溶液法制備的多晶薄膜存在表面/晶界缺陷問(wèn)題。這些未配位的Pb²⁺、I^-等缺陷導(dǎo)致載流子被捕獲，引發(fā)陷阱輔助復(fù)合，嚴(yán)重制約器件效率。因此，缺陷鈍化是減少缺陷態(tài)載流子捕獲，增加鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率的有效策略。盡管有機(jī)小分子鈍化已被證實(shí)可降低缺陷密度，但其作用機(jī)制與性能提升的內(nèi)在關(guān)聯(lián)仍需深入探究。

圖1 （a） MAPbI₃表面中紅外發(fā)射缺陷態(tài)示意圖; (b)不同時(shí)間延遲下的瞬態(tài)中紅外光譜

劉偉民團(tuán)隊(duì)利用中紅外飛秒瞬態(tài)吸收光譜，系統(tǒng)研究了MAPbI₃鈣鈦礦的載流子時(shí)空間動(dòng)力學(xué)，并首次觀(guān)測(cè)并報(bào)道了6 μm波長(zhǎng)處的缺陷態(tài)中紅外發(fā)射信號(hào)。區(qū)別于傳統(tǒng)Shockley-Read-Hall（SRH）體缺陷，該深層缺陷源于表面碘空位，通過(guò)結(jié)合瞬態(tài)吸收光譜，時(shí)間分辨熒光光譜等多種超快光譜技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)確定了中紅外發(fā)射缺陷態(tài)的載流子捕獲速率約為0.5 ns，隨后的中紅外輻射復(fù)合壽命可長(zhǎng)達(dá)840 ns。

基于上述發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)對(duì)鈣鈦礦采用丁酰肼雙鈍化策略，即通過(guò)表面鈍化抑制中紅外缺陷態(tài)，體鈍化降低SRH缺陷密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略使器件的光電轉(zhuǎn)換效率從18.67%顯著提升至21.77%。瞬態(tài)吸收和時(shí)間分辨熒光技術(shù)證實(shí)，表面鈍化將中紅外發(fā)射缺陷態(tài)的捕獲壽命延長(zhǎng)至0.9 ns，而體相鈍化則有效延長(zhǎng)了SRH復(fù)合壽命。空間分辨瞬態(tài)吸收顯微技術(shù)和SEM表面形貌分析進(jìn)一步揭示：界面鈍化不影響晶粒尺寸，但有效減少了表面缺陷；體相鈍化則促使晶粒尺寸增大、晶界面積減少。表面與體相鈍化的共同作用最終顯著提升了鈣鈦礦薄膜中的載流子擴(kuò)散率。

本研究展現(xiàn)了多種超快技術(shù)在鈣鈦礦載流子動(dòng)力學(xué)研究中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。超快實(shí)驗(yàn)結(jié)果與宏觀(guān)器件效率的提升形成直接關(guān)聯(lián)。研究結(jié)果不僅深化了對(duì)鈣鈦礦表面缺陷態(tài)特性的理解，也為研究缺陷鈍化對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件性能的影響帶來(lái)了新的啟示。

上?？萍即髮W(xué)為本項(xiàng)成果的第一完成單位，物質(zhì)學(xué)院劉偉民課題組2022級(jí)博士研究生謝俊涵為該論文第一作者。上?？萍即髮W(xué)劉偉民教授、姜甲明研究員以及華東師范大學(xué)李波教授為共同通訊作者。

論文標(biāo)題：Surface and Bulk Defect Passivation in MAPbI₃ Perovskites with Daminozide: Effects on Carrier Dynamics and Mobility

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202500530