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在钙钛矿太阳能电池（PSCs）的研究中，光致发光（Photoluminescence, PL）技术因其灵敏、无损、快速的特点，成为表征钙钛矿材料性质与器件性能的核心手段之一。它通过分析材料在光激发下发射的荧光信号（强度、峰位、半峰宽、寿命等），揭示钙钛矿的结晶质量、缺陷状态、载流子动力学及界面特性等关键信息，为优化材料制备与器件结构提供重要指导。
一、评估钙钛矿薄膜的结晶质量与纯度
钙钛矿的结晶质量直接影响其载流子迁移率和复合速率，而 PL 信号对结晶度高度敏感：
PL 强度：高结晶度的钙钛矿薄膜通常具有更高的 PL 强度。这是因为结晶完善的材料中，原子排列有序，缺陷（如空位、错位）更少，载流子非辐射复合（无荧光发射的复合）概率降低，更多载流子通过辐射复合（产生荧光）释放能量。反之，低结晶度薄膜因缺陷多，非辐射复合增强，PL 强度会显著下降。
PL 峰位与半峰宽（FWHM）：纯相钙钛矿（如 MAPbI₃、FAPbI₃）的 PL 峰位固定（如 MAPbI₃约在 780 nm），且半峰宽较窄（通常 < 50 meV）。若 PL 峰位偏移或半峰宽变宽，可能暗示薄膜中存在杂相（如未反应的 PbI₂、有机阳离子缺陷）或晶格畸变，需优化制备工艺（如退火温度、前驱体比例）以减少杂相。
例如，通过对比不同退火温度下的 PL 光谱，可快速确定**退火条件（如 100℃退火的 PL 强度*高、半峰宽*窄），指导制备高结晶质量的钙钛矿薄膜。
二、表征缺陷态与载流子非辐射复合
钙钛矿中的缺陷（如碘空位、铅间隙）是载流子非辐射复合的主要中心，严重限制器件效率（如开路电压）。PL 技术可灵敏探测缺陷状态：
缺陷诱导的 PL 淬灭：缺陷浓度越高，非辐射复合越强，PL 强度越低。通过 PL 强度的相对变化，可定性比较不同样品的缺陷密度（如对比未掺杂与掺杂钙钛矿的 PL 强度，判断掺杂是否有效钝化缺陷）。
低温 PL 光谱：低温下（如 77 K），热激发对载流子的影响减弱，缺陷能级的 PL 信号更易分辨。例如，钙钛矿中深能级缺陷可能在低温 PL 光谱中出现额外的弱峰，通过分析峰位可确定缺陷能级位置，为缺陷钝化策略（如添加有机胺、碱金属离子）提供依据。
例如，研究发现，在钙钛矿中引入胍盐（如 GuaI）可显著增强 PL 强度，说明胍盐有效钝化了缺陷，减少了非辐射复合。
三、研究载流子动力学过程
载流子（电子 - 空穴对）的产生、扩散、复合及提取效率是决定 PSCs 效率的核心因素，时间分辨 PL（Time-Resolved PL, TRPL）技术可定量分析这些动力学过程：
载流子寿命（τ）：TRPL 通过监测荧光强度随时间的衰减，获得载流子寿命（如 τ₁为快速衰减组分，对应界面复合；τ₂为慢速衰减组分，对应体相复合）。长寿命意味着载流子更易被电极提取，而非复合损失。例如，优化电子传输层（ETL）与钙钛矿的界面后，载流子寿命从 10 ns 延长至 50 ns，表明界面复合被有效抑制。
载流子扩散长度（L）：结合 PL 成像与空间分辨技术，可通过荧光信号的空间衰减速率计算载流子扩散长度（L = √(D・τ)，D 为扩散系数）。高 - quality 钙钛矿的扩散长度可达微米级（如 1-10 μm），而缺陷会缩短扩散长度，导致载流子在到达电极前复合。
四、表征钙钛矿与电荷传输层的界面特性
PSCs 的效率很大程度上依赖于钙钛矿与电子传输层（ETL，如 TiO₂、C₆₀）、空穴传输层（HTL，如 Spiro-OMeTAD）的界面相容性。PL 技术可直观反映界面载流子提取效率：
界面 PL 淬灭效应：当钙钛矿与 ETL/HTL 接触良好时，光激发产生的载流子会被快速提取到传输层，导致钙钛矿层的 PL 强度显著降低（“淬灭"）。反之，若界面存在势垒或缺陷，载流子提取受阻，PL 淬灭不明显，甚至因界面复合增强而 PL 强度异常。
例如，对比钙钛矿 / ETL 异质结与纯钙钛矿的 PL 强度：若前者 PL 强度仅为后者的 10%，说明 ETL 对电子的提取效率高；若 PL 强度下降不足 50%，则需改进界面修饰（如插入自组装单分子层）以增强载流子提取。
五、监测钙钛矿的稳定性与降解过程
钙钛矿的长期稳定性（如光照、湿度、热稳定性）是其商业化的关键瓶颈，PL 技术可实时追踪降解过程：
PL 信号随时间的变化：钙钛矿降解（如离子迁移、晶相转变、分解为 PbI₂）会导致 PL 强度下降、峰位蓝移（如 MAPbI₃降解为 PbI₂时，PL 峰从 780 nm 蓝移至 520 nm）或半峰宽变宽。通过监测 PL 光谱的演变，可评估不同老化条件（如 85℃热老化、60% 湿度）下的降解速率，筛选稳定化策略（如封装、掺杂）。
光致降解的原位监测：持续光照下，钙钛矿可能因光生载流子诱导的缺陷生成而降解。原位 PL 测试可捕捉 PL 强度的动态衰减，揭示光稳定性机制（如是否因氧扩散加速降解）。
六、优化大面积器件的均匀性
大面积 PSCs 的效率通常低于小面积器件，主要源于薄膜均匀性差（如局部缺陷、厚度波动）。PL 成像技术（如荧光显微镜）可实现微米级空间分辨的 PL 信号分布表征：
PL 强度分布：均匀的 PL 强度分布表明薄膜结晶质量一致；局部 PL 强度骤降的区域可能存在缺陷或针孔，需优化涂布工艺（如刮刀速度、前驱体浓度）以改善均匀性。
大面积 PL mapping：通过 PL 成像可快速识别大面积薄膜中的 “弱区"（如边缘效应、团聚物），为规模化制备（如卷对卷工艺）提供优化依据。
总结
PL 技术在钙钛矿太阳能电池研究中扮演着 “多面手" 角色，从材料合成到器件优化，从基础机理到稳定性评估，均能提供关键信息。其与其他表征手段（如 XRD、XPS、AFM）的结合，可更全面地解析钙钛矿的结构 - 性能关系，推动高效、稳定的 PSCs 向商业化迈进。
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