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鈣鈦礦型化合物研究進(jìn)展

自從第一塊約4%效率的鈣鈦礦型太陽能電池于2009年報道以來，鈣鈦礦型化合物研究進(jìn)展迅速。《MRS快報》特別匯編了這一新興領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

鈣鈦礦型化合物一個罕見特性的發(fā)現(xiàn)使得研究人員能夠迅速生長出厘米級品質(zhì)優(yōu)良的單晶材料。當(dāng)溫度升高時，鹽一般會更多地溶解于溶劑中。但一些研究小組發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的上升鈣鈦礦型化合物在特定溶劑中的溶解度降低，從而導(dǎo)致在高溫下溶液中晶體的形成。傳統(tǒng)的生長方法需要幾個星期的時間才能生長這么大的晶體，但是新的方法只需幾個小時就可以得到成果了。這一發(fā)現(xiàn)可能促成具有優(yōu)異性能的鈣鈦礦型單晶光電子器件。

瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院洛桑分院 （Swiss Federal Instituteof Technology in Lausanne）的研究人員在 《科學(xué)報告》上報道了鈣鈦礦型化合物中的此類現(xiàn)象 （Scientific Reports，DOI:10.1038/srep11654）。Anders Hagfeldt領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊發(fā)現(xiàn)在溶劑 γ-丁內(nèi)酯 （gamma γ-butyrolactone，GBL）中加熱濃縮的碘化銨（methylammonium iodide）和碘化鉛 （lead iodide）溶液 （摩爾比1∶1）到190℃，可以形成獨立的甲基銨基碘化鉛 （CH3NH3PbI3）鈣鈦礦型晶體。一旦晶體達(dá)到了理想的尺寸，研究人員則把它們從熱溶液中取出，因為晶體在冷卻后會溶解回溶液中。他們報道可以在25 min長出1mm長的晶體。

最初的報道之后，類似的進(jìn)展由沙特阿卜杜拉國王科技 大 學(xué)（KingAbdullahUniversityofScienceand Technology，KAUST）的研究小組發(fā)表在 《自然通訊》（Nature Communications，DOI:10.1038/ncomms8586）上，然后陜西師范大學(xué)的研究人員也在 《先進(jìn)材料》上報道（Advanced Materials，DOI:10.1002/adma.20150 2597）。阿卜杜拉國王科技大學(xué)Osman Bakr教授和他的同事們報道由N，N-二甲基甲酰胺 （N，N-dimethylformamide）溶劑結(jié)晶CH3NH3PbBr3以及由γ-丁內(nèi)酯溶劑 （GBL）生成CH3NH3PbI3晶體。他們計算CH3NH3PbI3生長速度高達(dá)20mm3/h，CH3NH3PbBr3高達(dá)38mm3/h。而常規(guī)方案的生長只能提供最高1mm3/h的速度。同時，周洋、劉生忠及其在陜西師范大學(xué)的同事能夠在12 h生長對角線長度為28mm的CH3NH3PbI3晶體，48 h則可以生長71mm（超過2.5英寸）的長度。

另一個令人興奮的鈣鈦礦型化合物的應(yīng)用來自兩個獨立的研究小組，他們使用此材料來制作低成本窄帶光探測器，可選擇性地檢測可見光光譜范圍內(nèi)的特定顏色。用于成像、遙感和光通信的光電探測器通常是由半導(dǎo)體制成，比如硅。這些材料吸收寬泛的波長，為了感應(yīng)特定的顏色，探測器使用昂貴的光學(xué)過濾器，因此需要復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計與集成。為了制造免除濾波器的光電探測器，美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯校區(qū)（University of Nebraska-Lincoln）的黃勁松教授和他的同事在常規(guī)的平面型二極管構(gòu)造中采用了鈣鈦礦型單晶。他們利用了單鹵化物以及混合鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)成分，器件可以探測從紅色到深藍(lán)色的不同顏色的光。同時，澳大利亞昆士蘭大學(xué)（Universityof Queensland）的Paul L.Burn等通過向混合鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)薄膜中添加各種有機大分子制成紅、綠、藍(lán)光電二極管。這篇文章發(fā)表在 《自然光電》期刊 （Nature Photonics，DOI:10.1038/nphoton.2015.156和DOI:10.1038 /nphoton.2015.175）。

奧地利物理學(xué)家們用低成本的材料制造了超薄、輕質(zhì)、高彈性的鈣鈦礦型太陽能電池，并用它們來給飛機模型供電。在 《自然材料》（DOI:10.1038/nmat4388）中報道的此太陽能電池可以應(yīng)用在無人機、監(jiān)控和安防方面。但若不進(jìn)行沉重且昂貴的封裝，鈣鈦礦型太陽能電池通常在空氣中不穩(wěn)定。奧地利林茨約翰開普勒大學(xué) （Johannes Kepler University Linz）物理學(xué)家Martin Kaltenbrunner和他的同事們明智地選擇了超薄、輕質(zhì)材料組建了3μm厚，功率質(zhì)量比高達(dá)23 W/g的太陽能電池陣列，能在正常環(huán)境條件下工作數(shù)天。制作此輕便設(shè)備，研究人員使用聚對苯二甲酸乙二醇酯 （PET）薄膜作為基板，在上面沉積了作為空穴收集電極的導(dǎo)電聚合物薄膜、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)光吸收層、有機電子傳輸材料、Cr2O3/Cr以及金屬觸點。Cr2O3/Cr中間層可防止鈣鈦礦結(jié)構(gòu)與上部金屬觸點發(fā)生反應(yīng)，從而保持裝置在空氣中的穩(wěn)定性。

集成在一個模型飛機水平尾翼的超輕鈣鈦礦型太陽能電池板為螺旋槳直流電機供電。此太陽能電池板在環(huán)境光條件下產(chǎn)生75 MW能量，足夠為28 cm長，翼展58 cm的飛機飛行提供電力。（來源:Martin Kaltenbrunner，約翰尼斯開普勒大學(xué)。）

通過向鈣鈦礦型基體嵌入硫化鉛量子點 （lead sulfide quantum dots），加拿大多倫多大學(xué) （University of Toronto）的Zhijun Ning等人創(chuàng)造了一個超高效、高輻射的混合晶體。量子點是重要的光電材料，已被用于增加太陽能電池和發(fā)光器件 （LED）的效率。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)優(yōu)異的載流子輸運性質(zhì)和量子點的發(fā)光效率相結(jié)合產(chǎn)生一種具有高能量-光轉(zhuǎn)換效率的材料，用于近紅外發(fā)光二極管等光電器件。這種新的材料報道在 《自然》雜志 （DOI:10.1038/nature14563）。

（西北有色金屬研究院信息所 朱宏康翻譯自MRS Bulletin）