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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(yáng)能電池于2009年報(bào)道以來(lái)，鈣鈦礦型化合物研究進(jìn)展迅速?！禡RS快報(bào)》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(gè)罕見(jiàn)特性的發(fā)現(xiàn)使得研究人員能夠迅速生長(zhǎng)出厘米級(jí)品質(zhì)優(yōu)良的單晶材料。當(dāng)溫度升高時(shí)，鹽一般會(huì)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(zhǎng)方法需要幾個(gè)星期的時(shí)間才能生長(zhǎng)這么大的晶體，但是新的方法只需幾個(gè)小時(shí)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(bào)告》上報(bào)道了鈣鈦礦型化合物中的此類(lèi)現(xiàn)象 （Scientific Reports，DOI:10.1038/srep11654）。Anders Hagfeldt領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)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(dú)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?yàn)榫w在冷卻后會(huì)溶解回溶液中。他們報(bào)道可以在25 min長(zhǎng)出1mm長(zhǎng)的晶體。

最初的報(bào)道之后，類(lèi)似的進(jìn)展由沙特阿卜杜拉國(guó)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(bào)道（Advanced Materials，DOI:10.1002/adma.20150 2597）。阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Osman Bakr教授和他的同事們報(bào)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(jì)算CH3NH3PbI3生長(zhǎng)速度高達(dá)20mm3/h，CH3NH3PbBr3高達(dá)38mm3/h。而常規(guī)方案的生長(zhǎng)只能提供最高1mm3/h的速度。同時(shí)，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(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度為28mm的CH3NH3PbI3晶體，48 h則可以生長(zhǎng)71mm（超過(guò)2.5英寸）的長(zhǎng)度。

另一個(gè)令人興奮的鈣鈦礦型化合物的應(yīng)用來(lái)自?xún)蓚€(gè)獨(dú)立的研究小組，他們使用此材料來(lái)制作低成本窄帶光探測(cè)器，可選擇性地檢測(cè)可見(jiàn)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(cè)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(zhǎng)，為了感應(yīng)特定的顏色，探測(cè)器使用昂貴的光學(xué)過(guò)濾器，因此需要復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計(jì)與集成。為了制造免除濾波器的光電探測(cè)器，美國(guó)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(cè)從紅色到深藍(lán)色的不同顏色的光。同時(shí)，澳大利亞昆士蘭大學(xué)（Universityof Queensland）的Paul L.Burn等通過(guò)向混合鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)薄膜中添加各種有機(jī)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(yáng)能電池，并用它們來(lái)給飛機(jī)模型供電。在 《自然材料》（DOI:10.1038/nmat4388）中報(bào)道的此太陽(yáng)能電池可以應(yīng)用在無(wú)人機(jī)、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(yáng)能電池通常在空氣中不穩(wěn)定。奧地利林茨約翰開(kāi)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(yáng)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(duì)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(jī)電子傳輸材料、Cr2O3/Cr以及金屬觸點(diǎn)。Cr2O3/Cr中間層可防止鈣鈦礦結(jié)構(gòu)與上部金屬觸點(diǎn)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(gè)模型飛機(jī)水平尾翼的超輕鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池板為螺旋槳直流電機(jī)供電。此太陽(yáng)能電池板在環(huán)境光條件下產(chǎn)生75 MW能量，足夠?yàn)?8 cm長(zhǎng)，翼展58 cm的飛機(jī)飛行提供電力。（來(lái)源:Martin Kaltenbrunner，約翰尼斯開(kāi)普勒大學(xué)。）

通過(guò)向鈣鈦礦型基體嵌入硫化鉛量子點(diǎn) （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(gè)超高效、高輻射的混合晶體。量子點(diǎn)是重要的光電材料，已被用于增加太陽(yáng)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(yùn)性質(zhì)和量子點(diǎn)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(bào)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）