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澳门新葡亰手机版新能源材料模拟与设计团队李位等在铅卤钙钛矿温度、压力响应物理机制研究中取得新进展

时间:2020/05/22 11:06:00  来源:   作者:   点击:

李位等在Chemistry of Materials》上在线发表论文

 

本网讯(澳门新葡亰手机版 邓磊)近日,澳门新葡亰手机版新能源材料模拟与设计团队李位课题组以澳门新葡亰所有网址为第一单位在国际著名材料科学期刊Chemistry of Materials》上在线发表题为“Anti-Correlation Between Band-Gap and Carrier Lifetime in Lead Halide Perovskites under Compression Rationalized by Ab Initio Quantum Dynamics”的研究论文(论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c01287,期刊影响因子:10.159,中科院SCI期刊最新分区:位于材料科学大类1区和物理化学等小类都为1区)。

有机-无机杂化钙钛矿材料作为一种新型的复合晶体材料,因其有机组分与无机组分在分子尺度上的杂化而具有优异的光电性能,在光伏电池、发光二极管、激光、光电探测等领域受到了广泛的关注。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池光电转换效率在短短几年时间内已经超过了22%。然而,对结构-性能关系理解的不足成为其进一步发展的一大障碍。

有机卤化物钙钛矿晶格较软,对外界环境的变化较为敏感,结构和光电性质易受温度和压力等环境因素的影响,与传统半导体有着显著区别。实验研究表明,钙钛矿材料载流子寿命具有反常的压力和温度依赖性,即在低温和低压情况下表现出了严重的光伏性能衰减现象。然而,针对这类现象的机理揭示尚无报道。

李位教授等和美国南加州大学Oleg Prezhdo教授合作,采用含时密度泛函理论结合非绝热动力学模拟,从原子尺度详细地研究了温度和压力效应对钙钛矿电子结构和激发态动力学的影响,取得了阶段性成果:(1)揭示了温度升高引起钙钛矿载流子寿命延长的物理机制。对有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3来说,高温会增强有机离子的无序转动,束缚Pb-I原子的振动,从而减小非绝热耦合矢。这是导致寿命延长的主要原因。但是全无机钙钛矿CsPbBr3中,高温会增强无机原子的波动速率,增大非绝热耦合矢。但是更强的电声耦合会加快量子经典退相过程,从而减缓电荷复合。高温均会导致两种材料PbI3-八面体结构的畸变,减小Pb-I-Pb键角,增大能隙。这合理地解释了实验上高温引起的光谱蓝移现象。(2)证实了实验上的压力诱导反“能隙规则”现象。研究结果表明,加压会减小有机-无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3 Pb-I键长,增强Pb-s与I-p轨道间的反键耦合,使价带顶能级上移,从而窄化能隙。同时,增加的压力会加剧PbI3-八面体结构畸变和 Pb、I原子波动,增大非绝热耦合矢。然而,更快的量子-经典退相过程克服了能隙窄化和非绝热耦合增大所带来的不利影响,抑制了电荷复合过程以及非辐射能量损失。该工作加深了对钙钛矿材料的构效关系及相关物理化学机制的理解,为设计、合成新型高效钙钛矿太阳能电池提供重要的理论指导。

以上研究成果得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、长沙市科技计划项目、湖南农业大学“双一流”建设项目、湖南农业大学引进人才科学基金等的资助。

已发表的相关研究成果:

1. Wei Li, Andrey S. Vasenko, Jianfeng Tang,* Oleg V. Prezhdo*. Anharmonicity Extends Carrier Lifetimes in Lead Halide Perovskites at Elevated Temperatures. Journal of Physical Chemistry Letters, 2019, 10, 6219-6226. (Q1, IF=7.328)

2. Wei Li*,  Jianfeng Tang, David Casanova, Oleg V. Prezhdo*. Time-Domain Ab Initio Analysis Rationalizes the Unusual Temperature Dependence of Charge Carrier Relaxation in Lead Halide Perovskite. ACS Energy Letters, 2018, 3, 2713-2720.  (Q1, IF=16.733)

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