物质学院刘伟民课题组研究表-体双钝化策略调控钙钛矿载流子时空动力学

近日，上海科技大学物质科学与技术学院刘伟民课题组通过可见和中红外波段飞秒瞬态吸收光谱，首次在MAPbI₃钙钛矿中观测到具有6微米中红外辐射的深层表面缺陷态，为深入理解钙钛矿缺陷态的机制提供了新见解。研究成果发表于国际学术期刊《先进科学》（Advanced Science）。

金属卤化物钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能备受关注，但溶液法制备的多晶薄膜存在表面/晶界缺陷问题。这些未配位的Pb²⁺、I^-等缺陷导致载流子被捕获，引发陷阱辅助复合，严重制约器件效率。因此，缺陷钝化是减少缺陷态载流子捕获，增加钙钛矿光电转换效率的有效策略。尽管有机小分子钝化已被证实可降低缺陷密度，但其作用机制与性能提升的内在关联仍需深入探究。

图1 （a） MAPbI₃表面中红外发射缺陷态示意图; (b)不同时间延迟下的瞬态中红外光谱

刘伟民团队利用中红外飞秒瞬态吸收光谱，系统研究了MAPbI₃钙钛矿的载流子时空间动力学，并首次观测并报道了6 μm波长处的缺陷态中红外发射信号。区别于传统Shockley-Read-Hall（SRH）体缺陷，该深层缺陷源于表面碘空位，通过结合瞬态吸收光谱，时间分辨荧光光谱等多种超快光谱技术，研究团队确定了中红外发射缺陷态的载流子捕获速率约为0.5 ns，随后的中红外辐射复合寿命可长达840 ns。

基于上述发现，团队对钙钛矿采用丁酰肼双钝化策略，即通过表面钝化抑制中红外缺陷态，体钝化降低SRH缺陷密度。实验结果表明，该策略使器件的光电转换效率从18.67%显著提升至21.77%。瞬态吸收和时间分辨荧光技术证实，表面钝化将中红外发射缺陷态的捕获寿命延长至0.9 ns，而体相钝化则有效延长了SRH复合寿命。空间分辨瞬态吸收显微技术和SEM表面形貌分析进一步揭示：界面钝化不影响晶粒尺寸，但有效减少了表面缺陷；体相钝化则促使晶粒尺寸增大、晶界面积减少。表面与体相钝化的共同作用最终显著提升了钙钛矿薄膜中的载流子扩散率。

本研究展现了多种超快技术在钙钛矿载流子动力学研究中的独特优势。超快实验结果与宏观器件效率的提升形成直接关联。研究结果不仅深化了对钙钛矿表面缺陷态特性的理解，也为研究缺陷钝化对钙钛矿太阳能电池器件性能的影响带来了新的启示。

上海科技大学为本项成果的第一完成单位，物质学院刘伟民课题组2022级博士研究生谢俊涵为该论文第一作者。上海科技大学刘伟民教授、姜甲明研究员以及华东师范大学李波教授为共同通讯作者。

论文标题：Surface and Bulk Defect Passivation in MAPbI₃ Perovskites with Daminozide: Effects on Carrier Dynamics and Mobility

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202500530