有机/无机杂化钙钛矿光伏、发光、磁光效应综合研究

Organic/inorganic hybrid perovskites simultaneously possess semiconducting properties, ferroelectric polarizations, and spin-orbital coupling, forming novel multifunctional materials. Due to simultaneously existed semiconducting properties, ferroelectric polarizations, and spin-orbital coupling, the photovoltaics, light emission, and magneto-optics are intimately connected. Therefore, comprehensively considering spin, polarization, and energy parameters can provide creative approaches to further advance the photovoltaic, light-emitting, and magneto-optic effects. Based on recent developments and challenges, this project utilizes the advanced experimental methods to explore the coupling mechanisms between spin, polarization, and energy key parameters. By using advanced experimental measurements including optoelectronic, dielectric, photophysics, and spinphysics characterizations, the project focuses on bottle-neck problems to investigate how the photovoltaic processes can be stimulated towards amplified photovoltaics, how the formation and emission of light-emitting states can be amplified towards superluminescence, how the spin properties of excited states can be controlled to revolutionarily shift magneto-optics from random regime to coherent regime. The project plans to elucidate the critical mechanisms and methodologies to control the key processes in photovoltaic, light-emitting, and magneto-optic effects by using spin, polarization, and energy parameters.

有机/无机杂化钙钛矿是同时具有半导体性质、铁电极化、自旋轨道耦合三大物理属性的新型多功能材料，这三大属性使得光伏、发光、磁光效应有机地联系起来。因此综合考虑半导体性质、铁电极化、自旋轨道耦合，可以为进一步发展光伏、发光、磁光效应提供具有创新性的思路。基于国际发展动态和科学挑战，本项目将以先进的实验方案，探索自旋、极化、能量参量之间的关联过程，利用有效实验手段：光电、介电、光物理、自旋物理动态测量，综合研究光伏、发光、磁光效应，抓住瓶颈科学问题，研究光伏效应中如何实现和控制受激放大电荷分离、传输、收集动态过程，实现从自发光伏效应到受激放大光伏效应的突破；发光效应中如何控制发光态的形成和辐射跃迁关联过程，实现超发光过程；磁光效应中如何控制激发态的自旋属性，实现从非相干磁光效应到相干磁光效应的重大突破。揭示以自旋、极化、能量参量协调控制光伏、发光、磁光效应中关键过程的重要机理和实验方法。

有机-无机杂化钙钛矿是一种新型多功能光电子材料，可用于自旋光电子器件、发光二极管、太阳能电池，研究其光-电-磁效应，能够为解决电荷输运和激发态过程在光伏、发光、磁光效应中的瓶颈问题提供突破性的实验方法和机理。该项目由北京交通大学、南京工业大学、中科院半导体研究所共同完成，取得了以下突破性成果：在磁光方面：制备了高质量手性钙钛矿单晶及薄膜，测得了磁控光致发光，研究了偏振光极化与温度和场强的依赖关系，建立了相关理论模型，证实了磁场可调控手性钙钛矿自旋态和发光强度，实现了磁光效应，阐明了偏振光极化-自旋激发态-激子的关联。在发光方面： (i) 研究了高电流密度下，电致发光的效率滚降问题，利用双锁相技术解决了发光器件在工作条件下光致与电致发光信号难以区分的技术难题，实现了对信号的实时探测，揭示了俄歇复合所导致的荧光猝灭是高效多量子阱钙钛矿发光二极管效率滚降的主要源头。通过降低俄歇复合，制备出12.7%外量子效率的发光二极管，该器件在500 mA‧cm-2大电流密度下仍可保持10%外量子效率。(ii) 研究了反溶剂工艺、传输层界面、以及前驱体溶液对三维钙钛矿成膜质量的影响，揭示了钙钛矿晶粒和器件性能之间的构效关系。所制备的器件辐射率可达241 W‧m-2‧sr-1，外量子效率可达14.2%，能量转化效率可达10.7%，在300 mA‧cm-2 的电流密度下EQE和ECE仍能保持在14.0%和8.3%。(iii) 引入EABr分子来制备高性能钙钛矿蓝光发光二极管，实现了12.1%的外量子效率，通过泛函理论计算阐明了带隙拓宽的原理。在光伏方面： (i) 利用有机盐PEAI钝化多晶铅基钙钛矿表面缺陷，经美国Newport认证，实现了23.3%的能量转化效率，1.18 V的开路电压，24.9 mA/cm2的短路电流密度，79.9%的填充因子。该结果作为世界纪录被美国可再生能源实验室发表的“Best Research-Cell Efficiencies” 收录。(ii) 利用三溴苯甲胺制备高结晶性、低缺陷的准二维钙钛矿薄膜，实现了18.2%高效准二维钙钛矿太阳电池，未封装器件在40%相对湿度、大气环境下经老化2400小时，效率仍能保持初始值的82%。将未封装器件浸入水中60秒，其光伏参数几乎无变化，展现出优异的水稳定性。该研究为钙钛矿在磁光、发光、光伏领域的未来发展奠定了实验和理论。