PI-MAX4 ICCD：钙钛矿薄膜中载流子扩散的瞬态荧光成像

钙钛矿太阳能电池的电荷输运特性是研制光伏器件和发光器件最为重要的性质，其不仅与电荷-晶格的相互作用密切相关，同时还会受到晶体内缺陷和晶粒边界的影响。前者为材料的本征因素，而后者则可以通过合成制备工艺的改进显著地提升器件的量子效率。

瞬态时间分辨荧光光谱是一种在较长的时间窗口下观察载流子浓度变化的有效手段。传统的时间分辨荧光通常使用雪崩二极管或者光电倍增管作为探测器，一次只能收集一个样品点的数据，无法直接获得可视的图像数据;而采用扫描样品的方式往往需要大量的采集时间，采集数据的时候也非常容易对钙钛矿造成不可逆的损害。

本篇工作展示了一种利用宽视场瞬态光致发光成像测量钙钛矿的载流子扩散速度的方法。通过Teledyne Princeton Instruments的PI-MAX4 ICCD 500ps的选通门宽，Brown University的Rashid Zia课题组的Wenhao Li实现了大范围视场(~130μm)的瞬态荧光成像，并且具有近乎衍射极限(~300nm)的图像分辨率。

实验方法

FAPbI3钙钛矿薄膜通过前驱体的旋涂、反溶剂分离、高温退火制备而成。在瞬态荧光测试中，408nm的脉冲激光通过一个100倍的油浸物镜聚焦在FAPbI3钙钛矿薄膜上。荧光成像通过背反射的光路由Princeton Instruemnts 的PI-MAX4 ICCD收集。为了获得最佳的信噪比，在激发光脉冲重复频率为10kHz的条件下，每个时间延迟都使用了1ns的门宽曝光了64万次。

结果讨论

图1 时间分辨荧光成像测量载流子扩散;a)激发1、4、16、61ns后的时间分辨荧光分布，刻度条为3μm;b)荧光分布截面与高斯拟合;c)荧光分布的展宽与延迟利用扩散模型的拟合，得到扩散速率为D=1.55±0.02cm2/s。

图1a中，时间分辨荧光成像的结果显示出，FAPbI3钙钛矿的荧光分布基本随时间延迟呈二维高斯分布，并且最终被钙钛矿的晶粒边界所限制。因为荧光光强的分布可以反应载流子的浓度，而钙钛矿中激子的结合能又远小于环境热能【1】，因此假设载流子全部以自由电子或空穴的形式出现;而自由电子和空穴的扩散又受制于电子空穴之间的库伦作用，FAPbI3中电子、空穴的有效质量之比大约为3:4，作者因此认为电子和空穴的扩散速率接近。图1b中，作者对不同延迟下的荧光分布使用二维高斯分布拟合，得到了不同延迟下的载流子高斯宽度σ(t)，并利用公式【2】

拟合得到了载流子的扩散速率D，其中t为延迟时间，而t0则用来估算起始的载流子扩散。图1c的拟合结果显示这个晶粒内的载流子扩散速率为1.55±0.02cm2/s。为了得到更可信的统计结果，作者对20个不同的FAPbI3晶粒进行了相同的测试分析，其载流子的扩散速率分布于1.3到1.8cm2/s之间。

有趣的是，当使用连续光持续对FAPbI3薄膜照射时，载流子的扩散速率反而提高了。图2a中对比了连续光照射下和原始条件下的时间分辨荧光成像，其中连续光造成的静态荧光背景已被扣除。当连续光照存在时，荧光分布的结果反映出了更快的扩散速率。图2b中的拟合结果也显示了相同的一块晶粒中的载流子扩散速率从1.3cm2/s提升至2.6cm2/s。这种载流子因连续光照射而提高了扩散能力现象的一种合理解释是电荷势阱的屏蔽作用。如图2c所示的能级结构图中，FAPbI3中的缺陷可以轻易地捕获自由电子或空穴，从而限制载流子的平均自由程。然而在连续光照射的条件下，其不断产生的自由电子、空穴可以填充这些电荷势阱，达到中和的效果。因此由脉冲激光激发产生的自由电子和空穴的平均自由程大大提高了。

图2 连续光照射下载流子扩散能力提升;a)瞬态荧光成像在不同照射条件下随时间的演化，刻度条为3μm;b)连续光照射前(蓝色)、照射期间(黄色)、照射结束(红色)时，荧光强度分布高斯宽度随延迟时间的演化，以及其拟合得到的扩散速率;c)电荷势阱屏蔽效应增加载流子平均自由程的示意图。

技术支持

这种宽视场的瞬态荧光成像方法利用Teledyne Princeton Instruments的PI-MAX4 ICCD 500ps的超快选通能力，既保持了单点光电探测器的亚纳秒级时间分辨能力，又同时获得了大视场的图像和近乎衍射极限的图像分辨率。这种使用ICCD对钙钛矿进行时间分辨光致发光成像的研究，未来必将进一步揭示钙钛矿器件、钙钛矿太阳能电池中载流子输运的特性和机理。

审核编辑 黄宇