材料学院叶志镇教授课题组何海平副教授及其指导的硕士生蔚倩倩等在有机无机杂化钙钛矿材料发光机理方面的研究取得重要进展，相关论文“Exciton localization in solution-processed organolead trihalide perovskites”于3月21日在线发表于国际著名学术期刊Nature Communications (IF=11.47)。该工作是与化学系金一政研究员、南京工业大学王建浦教授、首都师范大学张岩教授等课题组合作完成。
有机无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbX3, X=I,Cl,Br)是近年来迅速发展的一类半导体光伏材料，其太阳能电池转换效率已超过20%。令人惊奇的是，它同时具有优异的发光特性，用溶液法制备的薄膜可实现较高外量子效率的发光二极管和低阈值激光。为什么钙钛矿材料如此独特，同时具有这两种优异的性能？要回答这个重要的基础科学问题，必须深入理解钙钛矿材料中光生载流子的行为，阐明自由载流子和激子的复合特性。但学术界对于钙钛矿材料在室温下是否存在激子复合一直有争议，且对其中的机制还不清楚。
该工作从钙钛矿材料的发光机制入手，通过对溶液法制备的钙钛矿薄膜稳态和瞬态光谱的系统深入研究，发现了钙钛矿发光机制符合激子的局域化特征这一新现象（图1），证实了钙钛矿中激子在室温下可以稳定存在，且激子复合可在光生载流子复合过程中占主导地位。这种激子局域化特征具有普遍性，在一步法和两步法制备的钙钛矿薄膜中均存在。他们提出了基于带尾态中局域激子的模型（图2），合理解释了钙钛矿中载流子的长寿命和扩散距离。这一研究确认了激子复合及其局域化特性，对深入理解钙钛矿材料中的光物理过程、调控带尾态和局域激子密度、研制低阈值激射等高性能钙钛矿光电子器件具有重要指导意义。
图1. 钙钛矿发光寿命随能量的变化符合局域激子模型
图2 k空间和实空间中的激子局域化示意图
上述工作得到了国家自然科学基金委重大研究计划及面上项目、教育部创新团队及硅材料国家重点实验室的资助。
