钙钛矿薄膜与电荷受体之间界面电荷转移的超快动力学研究

【摘要】：钙钛矿(MAPbX_3,MA=CH_3NH_3~+,X=Cl,Br,I)材料由于在光电器件的优异表现引起了人们的广泛关注。在钙钛矿太阳能电池中,快速的电荷转移(CT)是实现高效电荷分离的一个重要条件。过去,人们已对钙钛矿薄膜与常见电荷受体之间的界面CT过程进行了大量研究,获得许多转移速率数据~([1-4]);然而,这些不同研究小组报道的CT时间数据却相差很大,从亚皮秒到数百皮秒,甚至数纳秒。这些巨大的差异严重地阻碍了人们对钙钛矿太阳能电池中的界面CT过程及其本征作用的理解。在钙钛矿太阳能电池中,光诱导的整个CT过程实际上包含电荷从薄膜内部到电极表面的迁移以及电荷在电极表面的转移两个过程;而前者明显与钙钛矿薄膜中的载流子迁移率和薄膜厚度有关。为了澄清这种薄膜内电荷扩散和本征的界面CT对整个光诱导的CT过程的贡献,我们采用飞秒瞬态吸收光谱(fs-TAS)技术研究了从钙钛矿薄膜到电子受体(PCBM)和空穴受体(spiro-OMeTAD)的CT动力学的薄膜厚度依赖性。结合扩散耦合的CT动力学模拟,我们发现钙钛矿薄膜到PCBM和spiro-OMeTAD的本征界面CT速率分别约为1.7×10~(11)s~(-1)(6 ps)和1.2×10~(11)s~(-1)(8 ps),而其光生电荷从薄膜内部扩散到界面大约需要200 ps到数纳秒(依赖于薄膜厚度),表明钙钛矿薄膜中的CT应该是一个扩散控制过程~([5])。