纳米孔缺陷导致单层黑磷电荷局域极大抑制非辐射电子-空穴复合的时域模拟

通常认为缺陷加速黑磷的非辐射电子-空穴复合,阻碍器件性能的持续提高。实验打破了这一认识。采用含时密度泛函理论结合非绝热分子动力学,我们发现P-P伸缩振动驱动非辐射电子-空穴复合,使纳米孔修饰的单层黑磷的激发态寿命比完美体系延长了约5.5倍。这主要归因于三个因素。一,纳米孔结构不但没有在禁带中引入深能级缺陷,而且由于价带顶下移使带隙增加了0.22 eV。二,除了带隙增加,纳米孔减小了电子和空穴波函数重叠,并抑制了原子核热运动,从而使非绝热耦合降低至完美体系的约1/2。三,退相干时间比完美体系延长了1.5倍。前两个因素战胜了第三个因素,使纳米孔结构激发态寿命延长至2.74 ns,而其在完美体系中约为480 ps。我们的研究表明可以制造合理数量和形貌的缺陷,如纳米孔,降低黑磷非辐射电子-空穴复合,提高光电器件效率。这一研究对于理解和调控黑磷和其它二维材料的激发态性质有重要意义。     

FA离子重定向引起的电荷局域显著抑制了FAPbI3钙钛矿电子-空穴复合：时域从头算研究

本文利用从头算非绝热分子动力学结合时域密度泛函理论模拟，计算表明部分FA(FA=HC[NH₂]₂⁺)阳离子的重定向造成电子和空穴局域在不同位置，减小了非绝热耦合并抑制了原子运动，从而显著抑制了FAPbI₃的非辐射电子-空穴复合. 虽然慢的核运动同时增加了退相干时间，但是减小的非绝热耦合是影响电荷复合的主导因素，将电子-空穴复合的时间尺度延长至数纳秒，比原始的FAPbI₃激发态寿命长约3.9倍，与实验结果相符. 研究厘清了实验报导的FAPbI₃激发态寿命增加的机理，为设计高性能的钙钛矿太阳能电池和光电器件提供了合理的策略.     

非绝热分子动力学模拟A位阳离子对钙钛矿热载流子弛豫的影响

钙钛矿具有优异的光学和电学性质, 近年来成为太阳能电池领域的研究热点. 大量实验报道钙钛矿热载流子弛豫时间变化顺序为CsPbBr₃>MAPbBr₃(MA=CH₃NH₃)>FAPbBr₃[FA=HC(NH₂)₂], 但A位阳离子(Cs ⁺, MA ⁺, FA ⁺)对弛豫快慢的影响机制仍不明确. 采用基于含时密度泛函理论的非绝热动力学方法研究了上述3种钙钛矿热电子和热空穴的能量弛豫动力学, 计算得到的热载流子弛豫时间与实验结果吻合. 结果表明, A位阳离子通过静电和氢键作用影响其与无机Pb—Br骨架的电子-振动耦合, 使非绝热耦合强度遵从FAPbBr₃>MAPbBr₃>CsPbBr₃的变化趋势, 进而使热载流子弛豫时间尺度变化趋势与之相同, 表明合理选择A位阳离子可以优化钙钛矿太阳能电池的性能.