二维钙钛矿材料及其在光电器件中的应用

二维钙钛矿作为一种新型光电材料,既具有二维材料的可溶液加工、柔性、可穿戴性以及廉价容易制备等特点,又具备钙钛矿材料结晶度高、载流子迁移率高、激子束缚能低、量子效率高、吸收光谱宽、光吸收系数高和能耗损失低等特性,已经成为材料研究领域的热点而受到广泛关注。本文深入分析了二维钙钛矿材料的组成特点及结构构建规则,探究了其光电特性、能带性质以及非线性光学性质等,对二维钙钛矿光电材料常见的两大类制备方法液相法和气相法进行了归纳,总结了二维钙钛矿材料在太阳能电池、光电探测器、发光二极管、场效应晶体管和激光等光电器件领域的应用现状,最后对该类材料目前存在的主要问题及未来发展前景进行了展望,以期为设计制备高性能二维钙钛矿光电材料提供参考。     

卤化钙钛矿型纳米晶的光学性能及应用研究进展

本文重点论述了全无机卤化钙钛矿型(ABX_3)纳米晶的光学性能及应用.介绍了这类纳米晶的制备方法:常压溶剂热法和离子交换法,并进一步阐述其光学性能(主要包括光吸收性能和发光性能)及相关应用(主要包括发光二极管和太阳能电池及其在激光材料、光电探测器和光催化剂领域的应用).这类材料优异的光电性能使其在其它领域也具有潜在的应用价值.     

钙钛矿基近红外光电探测器

近年来,具有ABX₃晶体结构的金属卤化物钙钛矿材料因其可调带隙、高吸收系数、长载流子传输距离等光电学特性而在光电探测领域表现出良好应用前景,尤其是基于纯Sn或者Sn/Pb混合阳离子制备的杂化钙钛矿在760～1050nm范围的近红外光电响应性能非常优异,展现出高灵敏度、低暗电流和高探测率等多方面优势。为进一步拓宽钙钛矿的近红外以及红外响应波长范围,研究人员探索了将有机材料、晶体硅/锗、Ⅲ-Ⅴ族化合物、Ⅳ-Ⅵ族化合物、上转换荧光材料等作为互补光吸收层与钙钛矿结合制备异质结来构筑出宽谱响应的近红外光电探测器。基于以上研究,本文总结了当前拓宽钙钛矿光电探测器的光谱范围的有效途径。同时,对钙钛矿材料的近红外光电探测器的未来发展前景作出了展望。     

卤化物钙钛矿微纳阵列的可控制备及应用

卤化物钙钛矿不仅具有光吸收系数高、激子束缚能低、载流子迁移率高等优异的光电性能,而且具有缺陷容忍度高、低温溶液法生长、带隙可调等传统半导体不具备的优点,迅速成为光电领域的研究热点之一。 在单个光电器件的基础上,开发阵列型器件将推动卤化物钙钛矿在(柔性)光电器件中的应用。 但卤化物钙钛矿因对常规有机溶剂较敏感而与现有光刻工艺不兼容,开发适合卤化物钙钛矿的微纳制作工艺尤为重要。 本文系统归纳了近年卤化物钙钛矿微纳阵列制备采用的各种策略和方法,分析了不同方法的优缺点和适用性,介绍了卤化物钙钛矿微纳阵列在光电领域的应用,并对该领域目前存在的问题及发展前景进行了展望,以期为新型卤化物钙钛矿光电器件的研究提供参考。     

视觉感知功能化有机光电器件研究进展

视觉感知是人与自然界最为重要的交互方式之一,提供了人体80%以上的外部环境信息.基于此,视觉仿生成为智能感知材料与器件研究中的前沿方向.过去30年,基于有机半导体的光电传感与感知器件历经多代发展,创新了光刺激(强度、色度等)的高灵敏度和选择性传感检测,并拓展了复杂的类生物视觉信号识别、学习与处理功能,已经成为新兴的跨学科领域.本文从单元光敏感的有机光电器件和多功能集成,介绍面向视觉感知功能化的有机光探测器、有机光电突触和有机适应型器件的构建策略和研究进展,并从柔性矩阵化和功能集成的视觉信号成像、学习与编码概述了新一代有机智能感知电子器件的仿生应用探索.     

无机卤化物钙钛矿纳米结构的带隙可调制备及光电应用研究

在半导体领域,通过合金化集成两种以上半导体的单纳米结构近年来相继问世,随着纳米材料的成分变化,可以灵活实现半导体的带隙调控,在光通信以及集成光电器件领域有着广泛的应用。然而,传统半导体纳米结构因不同成分之间存在晶格失配,其带隙调节的范围受到了很大限制。因此,钙钛矿作为对晶格失配具有高容忍度的半导体材料,在半导体带隙调控及器件研究领域显示出了巨大的潜力。本文综述了无机卤化物钙钛矿一维合金纳米材料的合成方法以及近年来的研究进展,总结了可调带隙钙钛矿一维合金纳米材料在光电子器件领域中的应用,包括波长可调谐纳米激光器、光电探测器、白光发光二极管、全光开关、太阳能电池等。实现单纳米结构带隙工程将对未来集成器件的发展产生深远的影响。     

激光作用铅卤钙钛矿的机理与应用

近年来,铅卤钙钛矿纳米晶因其易制备,低成本,高性能等特性引起了人们极大的关注。钙钛矿纳米晶的光电性能优越应用潜力巨大,然而稳定性问题制约着它进一步发展,使其无法与已经商业化的应用相匹敌。针对钙钛矿材料的稳定性问题,人们展开了很多研究,其中一个方面就是光照稳定性。该方面的研究可以为制备高稳定性钙钛矿材料和器件奠定基础,还可以利用光照(特别是激光)来调控钙钛矿的结构和性能,拓展其在光电领域的全方位应用。本文专注于激光照射下钙钛矿的变化及其相关应用,首先综述了激光辐照铅卤钙钛矿时出现的变化现象以及微观机理;其次,基于这些变化机理,介绍了最近研究人员如何使用激光技术对钙钛矿薄膜和器件进行性能调控,以及激光直写钙钛矿技术的相关应用。     

钙钛矿材料制备中的溶剂配位效应

钙钛矿材料具有吸收系数大、载流子迁移率高、可溶液加工等特点,在太阳能电池、发光二极管、光电探测等领域具有潜在的应用价值。钙钛矿的光电性质与其维度、尺寸、形貌密切相关,因此研究材料的生长是实现高性能器件应用的基础。钙钛矿前驱体与溶剂之间的配位作用对钙钛矿的生长过程具有重要影响。本综述总结了钙钛矿前驱体与溶剂之间的配位作用对钙钛矿单晶、多晶薄膜、量子点三类体系制备的影响,讨论了在上述材料制备中的溶剂配位效应,特别是溶剂配位效应所形成的溶剂化物对材料生长过程,以及所制备的材料(形貌、晶相、缺陷、稳定性)的影响。最后,我们对这一研究方向存在的问题和挑战进行了分析和展望。     

硅纳米线阵列的制备及其光电应用

近年来,硅纳米线阵列在宽波段、宽入射角范围内优异的减反射性能及其在光电领域的巨大应用前景引起了相关研究者的广泛关注。本文综述了国内外硅纳米线阵列的制备及其在光电应用方面的最新研究进展。关于硅纳米线阵列的制备方法,主要从"自下而上"和"自上而下"两大类出发,分别阐述了模板辅助的化学气相沉积法、化学气相沉积结合Langmuir-Blodgett技术法和金属催化化学刻蚀法,其中重点介绍了目前使用最为广泛且操作简单的金属催化化学刻蚀法的步骤、机理及控制参数。关于硅纳米线阵列在光电领域的应用,主要阐述了硅纳米线阵列在光电探测器、常规太阳能电池、光电化学太阳能电池、光催化分解水制氢、光催化降解有机污染物方面的应用。最后,从硅纳米线阵列在实际应用中面临的提高光电转换效率和避免硅纳米线阵列腐蚀以提高器件的稳定性等问题出发,展望了硅纳米线阵列的表面修饰及修饰后的性能研究是未来硅纳米线阵列光电应用研究的主要方向之一。     

大尺寸二维卤化物钙钛矿铁电晶体的生长及偏振光电探测性能研究※

低维半导体材料, 尤其是近些年快速发展的二维卤化物钙钛矿材料, 因其固有的结构各向异性、独特的量子限域效应和优异的半导体特性, 在偏振光电探测等领域展现出巨大的应用潜力. 其中, 铁电极化所产生的体光伏效应为实现高灵敏的偏振光电探测提供了一种简单有效的途径. 然而二维卤化物钙钛矿铁电体的大尺寸晶体生长仍然是其在光电器件应用中所面临的一个科学难题. 本工作中, 利用溶液降温法生长出了厘米级尺寸的高质量二维卤化物钙钛矿(iPA)₂EA₂Pb₃I₁₀ (iPA为异戊胺, EA为乙胺)铁电单晶, 其最大晶体尺寸达15 mm×15 mm×3 mm. 实验结果表明二维钙钛矿结构赋予(iPA)₂EA₂Pb₃I₁₀晶体强的光学各向异性、窄的光学带隙(1.80 eV)和极其优异的光电特性(光电响应开关比达到10³). 更重要的是, 基于(iPA)₂EA₂Pb₃I₁₀铁电单晶组装的光电探测器在弱偏振光的照射下表现出极其优异的光电特性, 包括大二色比(2.3)、高响应度(193 mA•W^–1)和探测率(7.0×10¹¹ Jones), 超过大多数基于材料本征光学各向异性的光电探测器件. 这项工作不仅为高度各向异性卤化物钙钛矿铁电体的晶体生长指明了方向, 而且推动了铁电材料在高性能偏振光电探测器等方面的应用.     

钙钛矿光伏电池封装材料与工艺研究进展

钙钛矿太阳能电池作为第3代新概念太阳能电池,具有高光电转换效率、低成本和可柔性加工等优点,近年来发展迅速,其光电转换效率从一开始的3.8%增长到近期的25.5%,逐渐比肩硅电池,已接近商业化应用水平。目前,实现钙钛矿太阳能电池产业应用的关键环节在于电池封装,它不仅可以解决钙钛矿光伏器件稳定性问题,还可以实现电池安全、环保和延长使用寿命等要求。结合近十几年来钙钛矿光伏电池封装材料和封装工艺两方面的发展现状,文中介绍了钙钛矿电池封装领域取得的成果和存在的不足,讨论了目前现有封装技术的优缺点,以及它们适用的不同器件类型。着重在不同温度湿度条件下,比较了不同封装材料性能、封装工艺条件对钙钛矿电池效率及稳定性的影响,归纳出影响钙钛矿电池薄膜封装效果的3个关键因素： 聚合物的弹性模量、水蒸气透过率、加工温度。比较了不同聚合物薄膜封装材料适宜的加工温度、优缺点及加工成本。可以看出,随着钙钛矿光伏电池工业化需求的强烈增长和人们对其封装材料研究的不断深入,研究适合大面积生产和光伏建筑一体化的新型功能聚合物封装材料将是必然趋势。     

二维有机-无机杂化钙钛矿铁电材料的研究进展

铁电性通常是指电介质材料的自发极化取向随着外加电场发生变化的性能. 以自发极化为核心, 铁电材料表现出优异的介电响应、热释电性、压电性、电光效应和非线性光学效应等, 是一类具有广阔应用前景的功能材料. 近年来, 二维有机-无机杂化钙钛矿化合物在铁电研究领域崭露头角, 逐渐发展为铁电材料的重要组成部分. 此类材料具有独特的结构兼容性与可调控性, 能够实现多种功能的共存或耦合, 是发展新型多功能材料的理想体系. 本综述基于居里原理的对称性方法, 以铁电材料的结构相变为基础, 阐述了铁电体的晶体学对称性破缺现象. 具体结合二维有机-无机杂化钙钛矿铁电体的典型实例, 揭示材料铁电性能的结构来源及光电性能调控的潜在途径, 最后对该铁电材料体系的发展趋势和应用前景提出了展望.     

高效医学传感钙钛矿材料研究进展

卤化物钙钛矿材料作为一种新型半导体材料，具有优异的光电转换特性、能级结构可调、易于加工、结构和尺寸以及形貌可调、改性后优异的生物相容性等优点，在医学检测传感器中具有广阔的应用前景。本综述讨论了钙钛矿材料在生物医学传感领域的研究进展，钙钛矿医学传感器能通过光电转换、全光转换、电催化等多种物理或化学机制实现传感，具有可灵活选择的器件结构、性能指标和信号传递方式，用于人体代谢物质、神经递质、癌症相关物质和药物等医学物质的检测。钙钛矿医学传感器将为未来的医工多学科融合提供新希望，加快医工融合发展。     

钙钛矿同质结太阳电池研究进展

钙钛矿太阳电池制备工艺简单,效率提升迅速,被认为是最具应用潜力的新一代光伏技术之一。近年来,大量研究表明,钙钛矿光电材料可以通过自掺杂或外源掺杂的方式实现薄膜导电类型(p型或n型)的定向调控;而具有双层薄膜结构的钙钛矿p-n同质结可以通过薄膜双沉积技术制备,这为钙钛矿同质结太阳电池的设计与制备提供了技术基础。新型钙钛矿同质结太阳电池摒弃传统的电子传输层和空穴传输层,可简化电池结构,不仅有利于提升电池工作稳定性,降低成本,更能进一步释放钙钛矿太阳电池在柔性和半透明应用中的潜力,推动钙钛矿电池的实用化进程。本文围绕钙钛矿同质结太阳电池,综述了钙钛矿光电材料p/n特性掺杂和钙钛矿同质结的研究进展,讨论了钙钛矿同质结太阳电池的基本结构和工作原理,并对其当前存在的技术问题和应用前景进行了总结与展望。     

Perovskite thin-film solar cell: excitation in photovoltaic science

As a new member of thin-film solar cells,the perovskite solar cells have inspired a new research hot in new photoelectric materials and devices,and have given a new energy to the photovoltaic science.Currently,various device structures,including mesoporous and planar,with and without hole transport material have been developed.In this review,much focus has been addressed to the deposition of high-quality perovskite films,structural optimization,and interface engineering as well as the understanding of the charge generation,transport,and recombination mechanisms of the devices.Furthermore,cost,stability,and environment issues of the cell are also discussed for commercial application.     

Rapid Growth of Halide Perovskite Single Crystals: From Methods to Optimization Control

Metal halide perovskites are emerging as new generation optoelectronic materials due to their high carrier mobility, long carrier diffusion length and large light absorption coefficient, which have broad applications in solar cell, light‐emitting diode, laser, photodetector and transistors. Perovskite single crystal is an ideal platform for discerning the intrinsic properties of these materials. In some cases, perovskite single crystals are better candidates to gain high performance optoelectronics. However, the growth of perovskite single crystals is time and cost consuming, which has an obvious disadvantage for device exploration. Therefore, fast growth technique is highly desirable in not only promoting the use of perovskites in commercial applications but also facilitating deep physical investigation of the materials. In this review, we summarize thoroughly the development of fast growth of the halide perovskites single crystal. Specifically, we highlight the progress of rapid growth techniques with emphasis on the optimization control.     

二维半导体材料与器件——从传统二维光电材料到石墨炔

近年来,二维半导体材料由于其独特的材料结构和电子输运特性得到了科学界的广泛关注,被应用于光电器件、催化和生物传感器等领域。本文系统概述了传统二维材料以及新兴二维材料石墨炔的发现和发展历程。重点聚焦在二维材料在光探测器领域中的应用,探讨了不同二维材料体系及器件结构对光探测器性能的影响;并详细介绍了新兴二维材料——石墨炔,及其合成和应用。展望了传统二维材料及石墨炔在光电转换器件应用中所面临的机遇和挑战。     

二维半导体材料与器件——从传统二维光电材料到石墨炔

近年来,二维半导体材料由于其独特的材料结构和电子输运特性得到了科学界的广泛关注,被应用于光电器件、催化和生物传感器等领域。本文系统概述了传统二维材料以及新兴二维材料石墨炔的发现和发展历程。重点聚焦在二维材料在光探测器领域中的应用,探讨了不同二维材料体系及器件结构对光探测器性能的影响;并详细介绍了新兴二维材料——石墨炔,及其合成和应用。展望了传统二维材料及石墨炔在光电转换器件的应用中所面临的机遇和挑战。     

界面钝化策略:提高钙钛矿太阳能电池的稳定性

近年来,新兴起的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池突飞猛进,在短短十年里其光电转化效率从3.8%迅速发展到目前25.2%的认证效率,被视为最具有应用潜力的新型高效率太阳能电池之一。虽然钙钛矿太阳能电池具有很高的光电转换效率已与多晶硅薄膜电池相媲美,但是电池的长期稳定性仍是阻碍其商业化的一大挑战。钙钛矿表面和晶界存在大量的缺陷,界面钝化来提高钙钛矿太阳能电池的稳定性是非常重要且有效的策略。二维钙钛矿材料是有机胺层与无机层交替的层状钙钛矿,具有体积较大的有机铵阳离子,与传统的三维钙钛矿材料相比对于环境的稳定性较好,并且结构灵活可调,在三维钙钛矿表面修饰二维钙钛矿层钝化缺陷,在提高钙钛矿太阳能电池效率的同时又保证了稳定性,另外,合适的钝化剂分子也能够非常有效地钝化缺陷。本文总结了钙钛矿太阳能电池的不稳定因素,归纳了钙钛矿太阳能电池界面钝化方面的研究进展,指出了二维钙钛矿材料发展的巨大潜力以及寻找合适钝化剂分子的原则,期望能够为获得高性能的钙钛矿太阳能电池进而实现商业化提供有益的指导。