PL光致發光在鈣鈦礦太陽能電池研究中的重要作用

發表時間：2025-08-15 12:00

在鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的研究中，光致發光（Photoluminescence, PL）技術因其靈敏、無損、快速的特點，成為表征鈣鈦礦材料性質與器件性能的核心手段之一。它通過分析材料在光激發下發射的熒光信號（強度、峰位、半峰寬、壽命等），揭示鈣鈦礦的結晶質量、缺陷狀態、載流子動力學及界面特性等關鍵信息，為優化材料制備與器件結構提供重要指導。

一、評估鈣鈦礦薄膜的結晶質量與純度

鈣鈦礦的結晶質量直接影響其載流子遷移率和復合速率，而 PL 信號對結晶度高度敏感：

PL 強度：高結晶度的鈣鈦礦薄膜通常具有更高的 PL 強度。這是因為結晶完善的材料中，原子排列有序，缺陷（如空位、錯位）更少，載流子非輻射復合（無熒光發射的復合）概率降低，更多載流子通過輻射復合（產生熒光）釋放能量。反之，低結晶度薄膜因缺陷多，非輻射復合增強，PL 強度會顯著下降。

PL 峰位與半峰寬（FWHM）：純相鈣鈦礦（如 MAPbI?、FAPbI?）的 PL 峰位固定（如 MAPbI?約在 780 nm），且半峰寬較窄（通常 < 50 meV）。若 PL 峰位偏移或半峰寬變寬，可能暗示薄膜中存在雜相（如未反應的 PbI?、有機陽離子缺陷）或晶格畸變，需優化制備工藝（如退火溫度、前驅體比例）以減少雜相。

例如，通過對比不同退火溫度下的 PL 光譜，可快速確定**退火條件（如 100℃退火的 PL 強度最高、半峰寬最窄），指導制備高結晶質量的鈣鈦礦薄膜。

二、表征缺陷態與載流子非輻射復合

鈣鈦礦中的缺陷（如碘空位、鉛間隙）是載流子非輻射復合的主要中心，嚴重限制器件效率（如開路電壓）。PL 技術可靈敏探測缺陷狀態：

缺陷誘導的 PL 淬滅：缺陷濃度越高，非輻射復合越強，PL 強度越低。通過 PL 強度的相對變化，可定性比較不同樣品的缺陷密度（如對比未摻雜與摻雜鈣鈦礦的 PL 強度，判斷摻雜是否有效鈍化缺陷）。

低溫 PL 光譜：低溫下（如 77 K），熱激發對載流子的影響減弱，缺陷能級的 PL 信號更易分辨。例如，鈣鈦礦中深能級缺陷可能在低溫 PL 光譜中出現額外的弱峰，通過分析峰位可確定缺陷能級位置，為缺陷鈍化策略（如添加有機胺、堿金屬離子）提供依據。

例如，研究發現，在鈣鈦礦中引入胍鹽（如 GuaI）可顯著增強 PL 強度，說明胍鹽有效鈍化了缺陷，減少了非輻射復合。

三、研究載流子動力學過程

載流子（電子 - 空穴對）的產生、擴散、復合及提取效率是決定 PSCs 效率的核心因素，時間分辨 PL（Time-Resolved PL, TRPL）技術可定量分析這些動力學過程：

載流子壽命（τ）：TRPL 通過監測熒光強度隨時間的衰減，獲得載流子壽命（如 τ?為快速衰減組分，對應界面復合；τ?為慢速衰減組分，對應體相復合）。長壽命意味著載流子更易被電極提取，而非復合損失。例如，優化電子傳輸層（ETL）與鈣鈦礦的界面后，載流子壽命從 10 ns 延長至 50 ns，表明界面復合被有效抑制。
載流子擴散長度（L）：結合 PL 成像與空間分辨技術，可通過熒光信號的空間衰減速率計算載流子擴散長度（L = √(D?τ)，D 為擴散系數）。高 - quality 鈣鈦礦的擴散長度可達微米級（如 1-10 μm），而缺陷會縮短擴散長度，導致載流子在到達電極前復合。

四、表征鈣鈦礦與電荷傳輸層的界面特性

PSCs 的效率很大程度上依賴于鈣鈦礦與電子傳輸層（ETL，如 TiO?、C??）、空穴傳輸層（HTL，如 Spiro-OMeTAD）的界面相容性。PL 技術可直觀反映界面載流子提取效率：

界面 PL 淬滅效應：當鈣鈦礦與 ETL/HTL 接觸良好時，光激發產生的載流子會被快速提取到傳輸層，導致鈣鈦礦層的 PL 強度顯著降低（“淬滅”）。反之，若界面存在勢壘或缺陷，載流子提取受阻，PL 淬滅不明顯，甚至因界面復合增強而 PL 強度異常。
例如，對比鈣鈦礦 / ETL 異質結與純鈣鈦礦的 PL 強度：若前者 PL 強度僅為后者的 10%，說明 ETL 對電子的提取效率高；若 PL 強度下降不足 50%，則需改進界面修飾（如插入自組裝單分子層）以增強載流子提取。

五、監測鈣鈦礦的穩定性與降解過程

鈣鈦礦的長期穩定性（如光照、濕度、熱穩定性）是其商業化的關鍵瓶頸，PL 技術可實時追蹤降解過程：

PL 信號隨時間的變化：鈣鈦礦降解（如離子遷移、晶相轉變、分解為 PbI?）會導致 PL 強度下降、峰位藍移（如 MAPbI?降解為 PbI?時，PL 峰從 780 nm 藍移至 520 nm）或半峰寬變寬。通過監測 PL 光譜的演變，可評估不同老化條件（如 85℃熱老化、60% 濕度）下的降解速率，篩選穩定化策略（如封裝、摻雜）。
光致降解的原位監測：持續光照下，鈣鈦礦可能因光生載流子誘導的缺陷生成而降解。原位 PL 測試可捕捉 PL 強度的動態衰減，揭示光穩定性機制（如是否因氧擴散加速降解）。

六、優化大面積器件的均勻性

大面積 PSCs 的效率通常低于小面積器件，主要源于薄膜均勻性差（如局部缺陷、厚度波動）。PL 成像技術（如熒光顯微鏡）可實現微米級空間分辨的 PL 信號分布表征：

PL 強度分布：均勻的 PL 強度分布表明薄膜結晶質量一致；局部 PL 強度驟降的區域可能存在缺陷或針孔，需優化涂布工藝（如刮刀速度、前驅體濃度）以改善均勻性。
大面積 PL mapping：通過 PL 成像可快速識別大面積薄膜中的 “弱區”（如邊緣效應、團聚物），為規模化制備（如卷對卷工藝）提供優化依據。

總結

PL 技術在鈣鈦礦太陽能電池研究中扮演著 “多面手” 角色，從材料合成到器件優化，從基礎機理到穩定性評估，均能提供關鍵信息。其與其他表征手段（如 XRD、XPS、AFM）的結合，可更全面地解析鈣鈦礦的結構 - 性能關系，推動高效、穩定的 PSCs 向商業化邁進。

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