二维钙钛矿单晶与半导体量子点间的能量转移动力学研究

The unique property of quantum dots (QDs) has led to their broad applications in light-emitting and photovoltaic devices. However, in QD-based devices further improvement of QD luminescence efficiency and intensity has been a challenge. Constructing a hybrid structure with QDs as the emitting unit and a light harvesting material as the photon-capture antenna is one possible pathway to resolve this problem. Recently, organolead halide perovskites received intense attention due to their excellent photophysical properties including long charge carrier diffusion length, high absorption coefficient and tunable optical band gap. In this proposal, we propose to develop a QD/perovskite hybrid structure, where we utilize the strong light harvesting ability and long charge carrier diffusion length properties of perovskites to improve the luminous intensity of QDs. The perovskite materials (2D perovskites) work as the light harvesting antenna and deliver the photon energy to QDs via the interfacial energy transfer from perovskites to QDs. This project will acquire the energy transfer dynamics between 2D layered perovskites and CdSe/ZnS QDs, which then lays experimental and theoretical foundations for their application in photovoltaic and photoelectric devices.

量子点独特的材料特性决定了其在发光器件、光伏电池等领域具有广泛的应用前景。针对量子点材料在发光领域的广泛应用，如何进一步提高量子点的发光强度和效率是领域内的重要研究方向之一。最近，有机无机杂化钙钛矿由于其优越的光物理性质（如长载流子迁移距离，高吸光系数、可变能量带隙等）而引起人们的广泛关注。目前，针对钙钛矿和可见光区量子点间的能量转移动力学研究未见报导。针对这一问题，本项目将构建二维钙钛矿单晶和CdSe/ZnS量子点间高效的复合发光体系，利用钙钛矿材料强的吸光能力和长载流子迁移距离等特性，吸收光能通过能量转移（Energy Transfer）的方式后将能量传递给量子点，增加量子点的单位吸光效率，提高量子点发光强度。本项目将获取二者之间能量转移动力学信息，建立能量转移效率和能量转移速率与量子点尺寸和二维钙钛矿单晶能带间隙之间的相互关联，为两种材料的复合在光电转换等领域的应用奠定实验和理论基础。

有机无机杂化钙钛矿材料由于其独特的光物理性质（如长载流子迁移距离，高吸光系数、可变能量带隙等）而引起人们的广泛关注。二维层状金属有机钙钛矿量子阱材料，和三维钙钛矿相比具有更高的光和化学稳定性，因此在光电器件、太阳能电池和光电检测器等领域有极大的应用价值。目前，人们对二维钙钛矿中光诱导的动力学过程，如光生载流子的迁移，分离，复合和转移等过程仍然缺乏足够的认知，因此，对材料中光诱导动力学过程的深入理解是决定人们能否建立高效实用光电转化体系的核心因素之一。本项目应用自主构建的时间分辨荧光扫描动力学成像新方法观察并实现二维金属有机层状钙钛矿晶体中边界态的调控，证明了在二维钙钛矿单晶物理边界处存在的可发生电荷分离的边界态是由于长链有机分子的缺失造成的，进一步在二维钙钛矿单晶中观测到突破激子迁移极限的长距离载流子输运现象，其迁移距离可达2~5 μm，这种长距离载流子输运是通过缺陷辅助的激子解离形成长寿命和不发光的电子空穴分离态实现的，研究结果打破了人们对二维材料中载流子传输距离短的认知，使得其在高效能量/电荷输运领域具有广阔的应用前景。同时本项目也揭示了其他钙钛矿材料，如PQDs@MOF，Cs2AgBiBr6单晶中载流子迁移和复合动力学过程和机理；在MAPbBr3钙钛矿单晶中验证了单晶中的缺陷态浓度并不影响载流子迁移率；制备了毫米尺寸的CsPbBr3 钙钛矿大单晶并实现了双光子泵浦的放大自发辐射。项目共发表SCI论文6篇，包括J. Am. Chem. Soc. 1篇，J. Phys. Chem. Lett. 4篇和 J. Energy Chem. 1篇。系统性研究结果为所研究的光电转化钙钛矿材料在太阳能电池、光电器件等诸多领域的应用提供载流子动力学层面的理解。