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体光伏效应是指在非中心对称材料中自发产生光电流的现象,与传统的半导体光伏效应不同,由于体光伏效应不依赖于固体的界面技术(如半导体P-N结或肖特基结),因此,其光电能量转换效率不受Shockley-Queisser极限约束,故可以获得超过材料能带间隙的光生电压。然而,体光伏效应仅发生在具有对称性破缺的晶体材料中。近日,香港科技大学吕海鹏教授团队、南方科技大学陈熹翰教授团队和毛陵玲教授团队提出了一种合成具有对称性破缺的晶体材料的新策略,通过非共价相互作用(氢键与卤键)对一系列新型准二维杂化钙钛矿化合物【 (ICH2CH2NH3)2(CH3NH3)n-1PbnI3n+1 ((EIA)2(MA)n-1PbnI3n+1, n = 1-4)】的有机阳离子EIA+的构象进行调节。研究发现,有机阳离子EIA+的构象可因C-C键旋转而变化,这导致其存在顺式(syn)和反式(anti)两种构象。对于奇数层化合物 (n = 1&3),EIA+阳离子末端的碘与最近的无机层的碘之间的强卤键使EIA+阳离子处于反式构象。然而,对于偶数层化合物 (n = 2&4),较弱的卤键使得采用顺式和反式构象的EIA+阳离子能够同时存在。其中,对于n = 2的化合物,其既具有顺势构象又有反式构象,因此其形成了非中心对称的空间群。
有趣的是,改变的晶体对称性直接影响了化合物的电子能带结构和性质。瞬态反射光谱显示,n = 2 的化合物表现出抑制的辐射复合率 (k2≈0) ,同时,其在所有层中具有最长的自旋寿命,这表明其出现了 Rashba能带分裂效应。 同时,体光伏效应仅出现于n = 2 的化合物中,这是其结构不对称性所导致的。此外,n = 2 的化合物中还检测到二次谐波产生的信号,这进一步证实了n = 2的化合物的非中心对称性。 该工作中,作者通过可调的非共价相互作用控制了有机阳离子的构象,从而改变了晶体对称性,特别是在n = 2的化合物中,其非中心对称结构直接导致了 Rashba 分裂、抑制辐射复合、增强自旋寿命和体光伏效应等有趣的性质,这些性质对光电子和自旋电子器件非常重要。这项工作展示了一种使用非共价相互作用改变结构从而影响其性质的新策略,为设计具有不寻常功能的杂化钙钛矿提供了新的思路。 论文信息 Rashba Band Splitting and Bulk Photovoltaic Effect Induced by Halogen Bonds in Hybrid Layered Perovskites Jie Xue, Yuling Huang, Dr. Yang Liu, Zhongwei Chen, Dr. Herman H.-Y. Sung, Prof. Dr. Ian D. Williams, Prof. Dr. Zonglong Zhu, Prof. Dr. Lingling Mao, Prof. Dr. Xihan Chen, Prof. Dr. Haipeng Lu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202304486
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