太阳能的高效利用是实现“双碳”目标的重要途径。杂化有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池近年来大放异彩，光电转换效率高达26.1%，成为当前研究的热点和产业界的新宠。然而，非辐射电子-空穴复合和能量损失使得该效率仍然低于单节太阳能电池效率的理论极限。我们前期工作系统研究了多种因素造成的非绝热电荷和能量损失的物理机制，提出了抑制非辐射损失的有效策略，部分成果被后续大量实验证实。

上述研究中，我们和其他课题组均采用经典力学描述原子运动，还未触及材料本身的量子属性。然而，杂化钙钛矿（如CH3NH3PbI3）中含有大量的氢，其核量子效应（NQEs）十分显著，它对载流子寿命的影响仍是未解之谜。

溯本求源，北京师范大学龙闰教授、方维海院士课题组和南加州大学Oleg Prezhdo教授合作，首次采用Ring-polymer molecular dynamics (RPMD)结合非绝热动力学(NA-MD)，研究了四方相CH3NH3PbI3 (MAPbI3)在160 K和330 K下几何结构、电子结构和非辐射电子-空穴复合动力学，并与从头算分子动力学 (AIMD)和NA-MD的计算结果进行了详细对比。模拟结果表明（图1），NQEs增强MA有机阳离子的运动，其与无机晶格间的关联运动导致无机晶格的无序性增加和热波动加剧，降低了电子-空穴波函数重叠，减小了非绝热耦合。同时，NQEs使得MAPbI3在160 K和330 K时的带隙分别减小了0.10 eV和0.03 eV，量子退相干相应地加快。综合上述影响，NQEs使得非辐射电子-空穴复合在160 K时延缓了3倍，在330 K时延缓了1/3。

概而言之，本工作首次阐明了NQEs在不同温度下对杂化有机-无机钙钛矿非辐射电子-空穴复合动力的显著影响，为相关材料的设计提供了重要的理论洞察，对优化器件性能具有重要意义。相关研究工作“Nuclear Quantum Effects Prolong Charge Carrier Lifetimes in Hybrid Organic-Inorganic Perovskites”近期发表于《美国化学学会会刊》 (J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 14112–14123, https://doi.org/10.1021/jacs.3c04412)。

图1. NQEs加剧MAPbI3结构畸变和电荷局域，抑制非辐射电子-空穴复合