近日，化学工程学院张军教授团队与中科院大连化学物理研究所金盛烨研究员团队合作，在二维层状钙钛矿薄膜内部观测到光诱导的电子和空穴在垂直基底方向上发生的自发性电荷分离，相关研究成果“Observation of Internal Photoinduced Electron and Hole Separation in Hybrid Two-Dimentional Perovskite Films”（二维钙钛矿薄膜内部光生电荷自动分离的直接观测）发表在JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY（《美国化学会志》，JACS）。化学工程学院2014级博士研究生刘俊学为论文第一作者，通讯作者为张军教授和金盛烨研究员。
二维层状材料具有广阔的应用前景，近年来引起人们越来越多的关注。其中，二维层状钙钛矿材料具有独特的几何结构、可变的带隙能量和较高的稳定性等优异性能，使其在光伏和光电器件领域备受瞩目。目前，已有报道认为二维层状钙钛矿薄膜内常包含有多个不同组分，每种组分含有的长链有机分子数不同（以n值来标记），长链有机分子隔开三维的钙钛矿晶体从而形成二维结构。然而，在薄膜内部，不同组分的钙钛矿晶粒根据能带的分布排列和它们是否会产生自发性能量传递等现象都是未知的。对于此类问题的探究有助于提高光生电荷的界面提取效率，促进二维层状钙钛矿材料在能源领域的应用。
张军团队采用荧光光谱及飞秒瞬态吸收光谱技术对包含不同组分的二维层状钙钛矿薄膜及其载流子动力学进行了研究。通过对比薄膜正反两面光激发得到的实验数据，发现这些不同组分的二维钙钛矿层在沿垂直基底的方向上是按照一定顺序（n值由基底向外逐渐增大）排列的。受这些有序排列的二维钙钛矿层的能级驱动，薄膜内部光诱导产生的电子和空穴会在垂直于基底的方向上发生自发性的电荷分离：即电子从n较小到较大的方向转移，而空穴的转移方向相反。这种自发性的电荷分离可导致电子和空穴分别累积在薄膜的上下表层，有助于提高光生电荷分别向上下表面的扩散速度，减少电子和空穴的复合，从而提高电荷的界面提取效率。这一发现可促进二维层状钙钛矿薄膜在太阳能转换和光电探测等领域的应用。
两位审稿专家对该研究成果给予高度评价，认为这一发现对于光电新材料的设计是非常及时和重要的，是一项具有探索性的工作，对目前兴起的钙钛矿相关领域发展具有重要意义，在太阳能转化方面将会引起广泛关注。
上述工作得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项，国家“973计划”及国家自然科学基金的支持。
《美国化学会志》（JACS）由美国化学会创办于1879年，至今已拥有130多年历史，是全球材料和化学领域最权威的学术杂志之一，代表着世界化学界前沿和权威的学术观点，其独有的学术地位和学术价值被化学领域人士广为关注。
论文链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b12581
