二维卤化物钙钛矿具有丰富且可调的物性,在新型太阳能电池和发光器件等领域具广阔的应用前景。近年来二维钙钛矿新材料的开发已取得诸多进展,但仍存在一些关键问题亟待解决,比如如何可控设计结构来优化其激子(电子-空穴对)特性和光电性能,对这些问题的深入研究需要合适的材料体系、有效的调控手段和表征方法。压强是一个重要的热力学参量,施加高压可以有效调制材料的晶格和电子结构,从而影响其光、电、热、磁等的性质。结合原位的结构和物性表征,可以加深我们对基础问题的理解,从而为新结构和新材料设计提供参考。
基于前期的研究积累,在该工作中我们选择了全无机二维钙钛矿Cs2PbI2Cl2,其具有比有机-无机杂化体系更小的层间距和独特的激子特性。我们利用高压技术和原位表征,结合理论计算对其晶体结构、激子特性和光电性能的演变规律进行了系统研究。结果显示,Cs2PbI2Cl2的激子结合能从常压下的133 毫电子伏(meV)降至2 吉帕(GPa)下的78 meV,达到可与典型三维卤化物钙钛矿相比拟的数值。激子结合能的降低促进了光生载流子的分离和传输,使其光电导在2 GPa下获得了三个数量级的提升。通过调控二维卤化物钙钛矿的激子特性,可使其获得比拟三维钙钛矿的优异光电性质,同时不会失去其独特的优势,这使得二维钙钛矿在太阳能电池和光电探测器中更具应用前景。该工作是二维卤化物钙钛矿中压力诱导光电导增强现象的首次报道,揭示了晶体结构、激子特性与光电性能之间的关系,为新材料的结构设计和性能优化提供了思路。
Xujie Lü and his colleagues have built up the pressure-induced structure-property correlations of the all-inorganic 2D perovskite of Cs2PbI2Cl2. Besides the observed changes of crystal structure and light emission, they also discovered the significant enhancement of photocurrents from the sample upon compression above 2 GPa. Amazingly, the photocurrents achieved at 2.1 GPa are three orders of magnitude greater than the starting one, and most importantly, this pressure is also industrially achievable, promising of scalable fabrication and device application in the future.
北京高压科学研究中心
Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR)
Enhanced Photocurrent of All-Inorganic Two-Dimensional Perovskite Cs2PbI2Cl2 via Pressure-Regulated Excitonic Features
2021, Vol. 143, No. 6, 2545-2551
https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c11730