钙钛矿材料是一种低成本、可溶液加工的半导体，能够以极高的效率吸收和转换太阳能，使其成为用于光伏太阳能电池等应用的有前景的材料——如果该材料能够制成稳定且高效的材料。

在发表在《化学》杂志上的研究（“二维卤化铅钙钛矿单晶中的长载流子扩散长度”）中，洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员检查了二维钙钛矿在代表器件结构的条件下的性能，发现那些结构可以与它们的三维对应物一样有效。

显示的是二维钙钛矿的典型结构。（图片：洛斯阿拉莫斯国家实验室）

洛斯阿拉莫斯国家实验室综合纳米技术中心小组的研究员 Wanyi Nie 说，我们发现这种材料固有的一些浅缺陷或‘陷阱态’可以帮助长距离的电荷传输。传播距离略低于 3D 钙钛矿，但远大于人们在典型的 2D 量子限制系统中所相信的距离。因此，这是一个重要的发现，即二维钙钛矿可以像三维钙钛矿一样有效。

首次研究设备结构中的属性

三维钙钛矿在周围环境条件下不稳定。分层结构可以规避这种环境不稳定性。然而，跨层的电荷传导不良——电荷传输受到层间绝缘间隔材料的阻碍——一直是限制这些半导体性能的一个问题。

为了探索替代方案，Nie 和研究团队专注于二维 Ruddlesden-Popper (RP) 钙钛矿晶体中较长的面内载流子扩散长度。载流子扩散长度表示电荷可以传播的长度，更长的距离意味着更高的效率和更高的性能。该团队通过扫描光电流显微镜对晶体进行了探测，其中激光照射在材料上，使其松弛以允许电子到达附近的电极。

该技术提供了光电流的空间映射并探索了光电特性。通过包括电荷收集、界面和温和电场在内的实验装置，研究人员首次能够研究二维钙钛矿在器件结构中的特性。在存在电场的情况下可视化载流子扩散提供了与光伏器件的操作直接相关的特性和性能的观察。

实验表明，二维钙钛矿的固有陷阱态可以增强电荷传导：材料中的原子级缺陷，有时浅有时深。这些缺陷会导致长扩散长度，这意味着光生电荷可以传播更长时间并作为输出电流被收集——设备的电源。

聂说，从基本面来看，这项研究的最大挑战是人们一直在观察这种扩散长度超过预期的有趣现象，但找不到起源。

扩散长度的惊人结果为在设备中使用提供了希望

实验室理论部的化学物理学家 Sergei Tretiak 领导了实验系统的理论建模。

Tretiak 说，实际上很惊讶地看到这种长扩散长度，比一微米长，在二维系统中。这对应于假设理想二维结构的电荷寿命和扩散长度的最乐观的理论预测。这很令人兴奋，因为更长的扩散长度意味着电荷实际上可以被收集并在设备中使用。

Nie 和 Tretiak 希望在发现浅陷阱作用的基础上，利用实验室为二维钙钛矿材料系统建立的独特理论和实验框架来查明此类缺陷的分子起源。从那里，可以通过合理设计材料结构来控制自由载流子电子传输（电荷），进一步调整二维钙钛矿特性，使其适用于各种电子设备，如光伏、辐射传感器和信息处理器。相反，浅陷阱也可能会减少，从而导致更短的扩散长度，这可能对照明应用很有用，例如用于 X 射线成像的固态照明或闪烁体。