上海泊勋仪器：光生载流子迁移动力学成像技术原理与应用

 

　　光照之后，载流子去了哪里？
 

　　光伏器件、光电探测器、LED等光电器件的工作过程，本质上都依赖于光生载流子的产生、输运与收集。
 

　　当半导体材料受到光照激发时，电子吸收光子能量跃迁至导带，同时在价带留下空穴，形成光生电子-空穴对。光生载流子的空间分布和寿命，直接决定了其能够参与电荷传输和器件输出的效率。
 

　　然而，载流子的产生只是第一步。
 

　　真正决定器件性能的是：
 

　　这些载流子能否有效迁移，并在复合之前被器件收集。
 

　　一、什么是光生载流子迁移？
 

　　光生载流子迁移是指光照激发产生的电子和空穴在材料内部发生输运的过程。主要包括扩散、漂移等输运机制，并伴随着复合等弛豫过程。
 

　　在实际半导体材料中，光生载流子的输运行为较为复杂：既包含由浓度梯度驱动的扩散过程，也受到内建电场、缺陷态和界面结构的显著影响。
 

　　因此，通常采用“载流子迁移(Carrier Transport)”来描述这一整体过程，其中扩散(Diffusion)是最基本且普遍存在的输运机制之一。
 

　　当材料中载流子在空间上存在浓度差时，电子和空穴会分别由高浓度区域向低浓度区域运动，这一过程称为载流子扩散(Carrier Diffusion)：
 

　　其中：
 

　　LD：载流子扩散长度
 

　　D：载流子扩散系数
 

　　τ：载流子寿命
 

　　扩散系数与载流子迁移率通过爱因斯坦关系直接相关；扩散长度则由扩散系数 D和少数载流子寿命 τ共同决定，是评价材料质量的重要参数。
 

　　它不仅反映了材料的晶体完整性，也直接决定了光生载流子能否在复合前被有效收集，从而影响光电器件的电荷提取效率。
 

　　除了扩散运动外，载流子还可能受到内部电场作用发生漂移(Drift)，并可能在迁移过程中被缺陷态捕获，最终通过复合(Recombination)而消失。
 

　　因此，光生载流子的实际输运行为，取决于扩散、漂移这两种输运机制与复合过程之间的动态竞争。
 

　　二、载流子扩散成像技术原理
 

　　载流子扩散成像技术通过微区激光激发样品，并结合高速振镜空间扫描，实现对材料局域输运行为的表征。
 

　　当局域区域受到激发产生载流子后，载流子会向周围区域扩散，引起不同空间位置的载流子浓度分布发生改变，进而调制局域光致发光(PL)响应。
 

　　通过系统扫描激发位置并记录相应的PL信号，并基于载流子扩散模型进行拟合，即可反推出材料的空间输运特性，如扩散系数与扩散长度。
 

　　测试过程包括：
 

　　1. 微区激发
 

　　利用聚焦激光在样品表面形成微米至亚微米尺度的局域光斑，产生光生载流子。
 

　　2. 载流子迁移
 

　　产生的电子和空穴在浓度梯度驱动下向周围区域扩散，其空间分布与演化受到辐射复合与非辐射复合的共同调控。
 

　　3. 空间扫描
 

　　通过高速振镜系统对激发位置进行二维扫描，并同步采集各位置对应的光致发光(PL)响应信号。
 

　　4. 数据重构
 

　　基于载流子扩散模型对实验数据进行拟合，获得二维分布的扩散系数、扩散长度及少数载流子寿命等输运参数。
 

　　三、为什么需要研究载流子扩散？
 

　　对于光电器件而言，并不是产生光生载流子越多器件性能就越好。
 

　　如果材料内部存在缺陷或非均匀区域：
 

　　·  晶界
 

　　·  空位
 

　　·  杂质
 

　　·  界面缺陷
 

　　载流子在在迁移过程中极易被缺陷态捕获，并通过非辐射复合机制消失。
 

　　最终导致：
 

　　·  光电流密度下降
 

　　·  光电转换效率降低
 

　　·  器件长期稳定性降低
 

　　因此，载流子扩散长度(Diffusion Length)作为综合反映材料输运能力与少数载流子寿命的关键参数，成为评价材料质量及器件结构合理性的重要指标之一。
 

　　四、测试结果可以获得什么？
 

　　通过载流子扩散成像，可以获得：
 

　　1. 载流子扩散长度
 

　　反映少数载流子在复合前能够迁移的有效距离，是评价材料晶体质量的核心指标。
 

　　2. 载流子扩散系数
 

　　描述载流子的扩散能力，通过爱因斯坦关系可与载流子迁移率相互换算，反映材料的本征输运特性。
 

　　3. 空间均匀性
 

　　发现：
 

　　• 缺陷区域
 

　　• 晶界
 

　　• 局部失效区域
 

　　揭示输运瓶颈的微观起源。
 

　　4. 载流子寿命与复合动力学
 

　　定量分析：
 

　　•  辐射复合
 

　　•  非辐射复合 (包括缺陷诱导复合、俄歇复合等)
 

　　明确效率损失机制。
 

　　5. 器件结构优化依据
 

　　用于分析：
 

　　·  电极设计
 

　　·  界面工程
 

　　·  材料处理工艺
 

　　指导高性能光电器件的开发。
 

　　上述参数共同构成了从“材料微观质量”到“器件宏观性能”的桥梁，使研究者能够在微观尺度上理解并预测光电器件的行为。
 

　　五、应用领域
 

　　载流子扩散成像技术目前广泛应用于：
 

　　•   钙钛矿太阳能电池
 

　　•   二维半导体材料
 

　　•   有机光伏器件
 

　　•   光电探测器
 

　　•   OLED材料
 

　　•   新型半导体器件
 

　　该技术可用于揭示材料中的微观缺陷分布、分析载流子输运与复合动力学，并为器件结构优化与性能提升提供关键实验依据。
 

　　结语：从“看到信号”到“理解输运机制”
 

　　随着新型光电材料的快速发展，仅依靠静态吸收或光致发光光谱等传统表征手段，已经难以满足深入研究的需求。
 

　　载流子扩散成像技术通过空间分辨的方式，将材料内部不可见的载流子迁移过程转化为可观察、可分析的数据。
 

　　泊勋仪器致力于提供集空间分辨成像与时间分辨动力学分析于一体的光电测试解决方案，帮助科研人员揭示光生载流子产生、迁移与复合的动态过程及其内在机制，为高性能光电器件的理性设计提供有力支撑。
 

　　参考文献
 

　　1、Minhuan Wang, et al. Rational selection of the polymeric structure for interface engineering of perovskite solar cells, Joule, 2022.
 

　　2、W. Tian, et al., T. Lian*, S. Jin*. Angew. Chem. Intl. Edit., 2016, 55, 13067-13071.
 

　　3、W. Tian, C. Zhao, J. Leng, R. Cui, S. Jin*. J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 12458-12461.