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超强激光科学卓越创新简报

(第七百七十一期)

2026年4月30日

上海光机所在混合卤素钙钛矿空间异质性诱导载流子动力学研究方面取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队，联合国科大杭州高等研究院、华中科技大学，利用光泵浦-太赫兹探测技术与微区瞬态反射显微镜，在混合卤素钙钛矿材料中揭示了卤素偏析诱导的超快载流子漏斗效应及其对极化子模式的调制机制。相关研究成果以“Halide Segregation Induces Carrier Funneling and Polaron Mode Modulation in Mixed-Halide Perovskites”为题，于4月7日发表在国际期刊Journal of Physical Chemistry Letters上。

混合卤素钙钛矿因其带隙连续可调的特性，在叠层太阳能电池、室内光伏、水下光伏及白光发光二极管等领域具有广阔应用前景。然而，在光照或热力作用下，材料易发生卤素离子迁移与偏析，在空间上形成富溴（Br-rich）与富碘（I-rich）相区域。由于两种相间天然的能带阶跃构成Type-I异质结，光生载流子会自发从富溴区向富碘区转移，导致载流子空间分布不均。这一过程不仅引入了额外的缺陷态和载流子弛豫通道，还可能扰乱极化子的形成和输运环境，被认为是造成器件开路电压下降和光电转换效率衰减的重要原因。已有研究表明卤素偏析会导致载流子重新分布，但这种空间再分配如何进一步影响极化子动力学及电子‑声子耦合，其微观机制尚不明确，亟需深入探索。

针对这一难题，研究团队融合了光泵浦-太赫兹探测（OPTP）光谱与微区瞬态反射显微镜技术，实现了时间分辨（亚皮秒）与空间分辨（微米级）的载流子输运和极化子模式调制观测。研究发现，即使空间上微小的成分涨落也会触发亚皮秒尺度的载流子由富溴区向富碘区的“漏斗式”转移，并在约10 ps时间尺度内形成微米尺度、长寿命的高密度载流子库。尽管载流子发生显著空间重分布，然而薄膜整体的平均迁移率和光电导性并未展现出明显劣化。进一步通过频率分辨太赫兹光谱分析，团队发现富碘区内局域载流子密度的升高增强了极化子-极化子波函数重叠，导致电子-声子非谐耦合增强。具体表现为极化子共振频率蓝移至0.8 THz、非谐振子强度提升、声子退相干寿命缩短。这一结果表明，早期卤素偏析并非直接劣化载流子本征输运性能，而是通过载流子空间积累调制极化子模式。

图1：瞬态反射光谱装置示意图。插图：泵浦脉冲强度分布的空间轮廓（点）及高斯拟合。二维瞬态反射率显微图像的时间演化。

该成果揭示了混合卤素钙钛矿早期卤素偏析过程中“载流子空间积累主导极化子模式调制、而非本征输运性能退化”这一物理机制，为理解卤素偏析引发的性能损耗提供了全新视角，也指出通过抑制载流子空间聚集来提升器件稳定性的优化方向。

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