各位好，本期是我们 材料与器件辐照损伤研究的意义与光谱学方法的应用系列文章的第五辑：钙钛矿的辐照损伤机理及光谱学研究。

在本期中，我们将会在基于目前发表的公开文献为基础，介绍钙钛矿的辐照损失机理和原位光谱测试。

摘要

钙钛矿材料因其优异的光电特性在太阳能电池和光电器件中具有广泛应用。然而，在高能粒子辐照环境下，钙钛矿材料的结构和光电性能会受到显著影响。本文综述了钙钛矿材料在辐照损伤下的微观结构变化及其对光电性能的影响，特别关注光致发光光谱（PL）、时间分辨光致发光光谱（TRPL）和拉曼光谱等光谱学方法在研究中的应用。通过这些光谱学手段，可以有效揭示辐照引入的缺陷类型、载流子浓度变化以及载流子动力学行为，为理解和改善钙钛矿材料的抗辐照性能提供了重要依据。

引言

钙钛矿材料是一类具有ABX₃结构的化合物，因其优异的光电特性而被广泛应用于太阳能电池、LED和激光器等光电器件中。近年来，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率不断提高，显示出巨大的应用潜力。然而，钙钛矿材料在高能粒子辐照环境下表现出较差的稳定性，这限制了其在极端环境下的应用。高能粒子辐照会导致钙钛矿材料中缺陷态密度的增加，影响其光电性能。因此，深入研究钙钛矿材料的辐照损伤机理对于提高其在极端环境下的应用性能具有重要意义。

图1. 影响 PSCs 空间性能的因素

图2. 钛矿样品的电子辐照示意图及模拟结果

(a) 电子辐照示意图

(b) 轨道电子能谱模拟

(c) 电子入射轨迹模拟及电池厚度内模拟结果的放大图

(d) 入射电子能量分布

钙钛矿材料的辐照损伤机制

1.1 缺陷态密度的增加

高能粒子辐照会导致钙钛矿材料中缺陷态密度的显著增加。这些缺陷态包括点缺陷、位错和晶界缺陷。缺陷态的增加会捕获载流子，增加非辐射复合过程，从而降低钙钛矿材料的光电性能。研究表明，高能粒子辐照后，钙钛矿材料的PL光谱显示出发光强度的显著降低和发光峰位的蓝移，反映了缺陷态密度的增加。

1.2 载流子浓度变化

辐照引入的缺陷态会捕获载流子，改变其浓度和迁移率。研究表明，高能粒子辐照后，钙钛矿材料的载流子浓度显著降低，载流子迁移率也受到影响。这些变化会降低钙钛矿材料的光电性能，特别是在太阳能电池和LED等器件中。

1.3 载流子动力学变化

辐照引入的缺陷态会改变载流子的动力学行为。时间分辨光致发光光谱（TRPL）研究表明，高能粒子辐照后，钙钛矿材料的载流子寿命显著缩短，这表明缺陷态对载流子的捕获作用增强。此外，载流子的扩散长度也会受到影响，进一步降低钙钛矿材料的光电性能。

光谱学研究方法与结果

2.1 光致发光光谱（PL）

PL光谱是一种常用的光谱技术，用于研究材料的光学性质和缺陷态。对于钙钛矿材料，PL光谱可以提供关于发光效率、缺陷态密度和载流子复合过程的信息。研究表明，高能粒子辐照后，钙钛矿材料的PL光谱显示出发光强度的显著降低和发光峰位的蓝移。这些变化反映了缺陷态密度的增加和载流子复合过程的改变。通过拟合PL光谱，可以进一步确定缺陷态的类型和浓度。

2.2 时间分辨光致发光光谱（TRPL）

TRPL光谱是一种先进的光谱技术，能够提供关于载流子动力学的信息。通过测量载流子寿命，可以深入了解载流子的复合过程和缺陷态的作用。研究表明，高能粒子辐照后，钙钛矿材料的载流子寿命显著缩短，这表明缺陷态对载流子的捕获作用增强。TRPL光谱还可以揭示载流子的扩散过程和非辐射复合机制，为理解钙钛矿材料的辐照损伤提供了重要依据。

2.3 拉曼光谱

拉曼光谱是一种非破坏性的光谱技术，能够提供关于材料晶格振动模式的信息。对于钙钛矿材料，其拉曼光谱中主要的振动模式包括A₁、E和T₂模式。这些模式的峰位和强度变化可以反映晶格结构的损伤程度。研究表明，高能粒子辐照后，钙钛矿材料的拉曼光谱显示振动峰位向低波数方向移动，峰宽增加，表明晶格畸变和缺陷态的引入。

特别指出的是，我司的LRS900系列与SR900系列Raman光谱系统，可以很好的针对于空气中的钙钛矿材料进行Raman/PL/光电流等测试。

同时，我司的InSitu900远程Raman/PL光谱工作站，也可以对在真空中的钙钛矿材料进行原位测试。

图1. InSitu900测试结果

结论与展望

本文综述了钙钛矿材料在高能粒子辐照下的损伤机制，特别关注了光致发光光谱（PL）、时间分辨光致发光光谱（TRPL）和拉曼光谱等光谱学方法在研究中的应用。通过这些光谱学手段，可以有效揭示辐照引入的缺陷类型、载流子浓度变化以及载流子动力学行为。研究表明，高能粒子辐照会导致钙钛矿材料的缺陷态密度增加、载流子浓度降低和载流子动力学行为改变。这些发现为理解和改善钙钛矿材料的抗辐照性能提供了重要依据。

未来的研究方向包括：

1. 材料改性：通过掺杂或合金化等方法，提高钙钛矿材料的抗辐照性能。

2. 结构优化：设计新型的钙钛矿结构，如量子点、纳米线等，以增强其抗辐照能力。

3. 多物理场耦合研究：结合热、电、光，真空原位光谱等多物理场耦合效应，深入研究钙钛矿材料在极端环境下的性能变化。

通过这些研究，有望开发出具有更高抗辐照性能的钙钛矿材料，满足太阳能电池和光电器件在极端环境下的应用需求。