近日，我校华南先进光电子研究院周国富教授团队青年拔尖人才吴波研究员在铯银铋溴双钙钛矿光电材料的超快光物理研究方面取得重要突破：揭示该材料中电子与声学声子强耦合的动力学过程以及其对光伏性能的影响，指导无铅钙钛矿光伏研究。该成果以华南师范大学为第一单位发表在Science杂志子刊《Science Advances》上，题为《Strong self-trapping by deformation potential limits photovoltaic performance in bismuth double perovskite》（Sci.Adv.2021,7,eabd3160）。吴波研究员为论文第一作者兼共同通讯作者，华南师范大学周国富教授、林雪平大学Gao Feng教授和南洋理工大学Sum Tze Chien为论文其他共同通讯作者。
材料中的电子与晶格的相互作用对材料的光学、电学输运等性质起着至关重要的作用。如在光伏材料中，该微观物理直接决定了其太阳能转换效率的宏观表象。因此，深入研究光伏材料中的电子晶格相互作用机制对设计新型光伏材料、提升其光伏转换效率极具基础性指导意义。超快光谱技术利用高能量的超短激光脉冲（飞秒量级，1飞秒=1E-15秒）瞬时激发光电材料，从而能以飞秒时间精度观察到光电材料的光电性质变化，是研究材料中超快电子-晶格相互作用的先进技术手段。
吴波研究员与合作者结合超快光谱实验技术（瞬态吸收光谱、时间分辨太赫兹光谱、时间分辨荧光光谱等）和第一性原理理论计算手段对铯银铋溴双钙钛矿单晶和多晶薄膜的电子晶格相互作用机制展开了深入研究。铯银铋溴双钙钛矿是在高性能铅基钙钛矿光伏材料之后研发的一种新型光伏材料，相比于后者具有高稳定性、低毒性等优势。但迄今为止，其光伏转换效率仍远低于后者，制约了其在光伏领域的进一步发展。本项研究发现，铯银铋溴双钙钛矿拥有较强的电子-声学声子相互作用（第一性原理理论计算形变势能约为10 eV），远超铅基钙钛矿材料铯铅溴以及传统的无机半导体材料。激发态电子在与光学声子耦合之后，在4.7 皮秒（1皮秒=1E-12秒）内迅速与高能量的声学声子耦合（声学声子平均能量约为 1 meV），被局域化在约3.7 nm的尺度范围内形成自陷态。该过程导致电子的迁移率在皮秒时间尺度内迅速下降了70%，从而解释了其时间平均载流子迁移率只有0.05 – 0.37 cm2s-1V-1，远低于铅基钙钛矿材料（1-100 cm2s-1V-1）。该项研究揭示了铯银铋溴双钙钛矿作为光伏材料有着本征局限，对于新型光伏材料的设计有着一定的指导作用：应尽量避免选择具有较软晶格的铋基、锑基等金属化合物，该类材料容易产生较强的电子与多种声子的耦合形成局域电子态，不利于电子的输运。
周国富教授团队青年拔尖人才吴波研究员负责的研究小组，近年来在光电材料的超快光物理研究上取得了系列重要进展，代表性成果以华南师范大学为第一单位先后发表在Nature杂志子刊《Nature Communications》和Science杂志子刊《Science Advances》各1篇，提升了我校在超快光物理研究领域的国际影响力。
以上突破性成果的取得，得益于我校高端人才引育政策和国家级国际科技合作平台的重要支撑，展现了我校师资培养工作以及基础学科研究的最新进展。相关课题的持续深入研究将进一步夯实我校“双一流建设学科”物理学的科研力量。
论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabd3160
作者/通讯员:吴波 | 来源:华南先进光电子研究院 | 编辑:杨柳青
