钙钛矿发光-光电器件中的光谱调控EI北大核心CSCD

尽管钙钛矿材料在发光与光电器件等领域的研究发展迅速,但依然面临着如何突破极限效率、提高稳定性以及拓展新的应用空间等关键问题。近年来,本文作者围绕如何拓展钙钛矿材料与器件的光谱响应范围这一主题,在稀土掺杂、有机异质结杂化等方面进行了独特的探索,并取得了一些标识性的成果。作者近期接受了Light人物专访,本文是在此基础上整理出来的,希望与大家分享一些经验与见解。     

影响杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的因素探讨

自从2009年首次报道采用有机-无机杂化钙钛矿作为吸光材料用于太阳能电池以来, 钙钛矿太阳能电池效率的快速提升引起了人们广泛的关注, 这类电池同时具有制备工艺简单、成本低廉等优点, 引发了钙钛矿电池的研究热潮. 目前研究工作大多数集中在如何提高电池的光电转化效率, 但钙钛矿电池要真正实现产业化应用, 急需要解决材料及器件的稳定性问题. 本文探讨影响钙钛矿材料及器件的稳定性因素, 从温度及湿度等方面分析了材料的稳定性, 从传输材料及其界面问题讨论了器件的稳定性.     

纳米成核点辅助结晶对钙钛矿光电探测器性能的影响

有机无机杂化钙钛矿材料因具有可调节的带隙宽度、优异的载流子传输性能、可低温溶液法制备等优点,近年来在光电器件的应用研究上受到了广泛的关注.对于平面光电导型探测器,电荷在两电极之间需横穿钙钛矿层,由于钙钛矿晶体的形成能较低,在晶界和薄膜表面易产生缺陷,光生载流子被缺陷阻挡而加剧激子的非辐射复合,造成器件光电性能下降.本文通过在钙钛矿界面层下方引入微量的氧化石墨烯纳米片作为钙钛矿晶体的有效成核点,使得钙钛矿晶体可依附于氧化石墨烯形核,降低钙钛矿晶体成核势垒的同时与钙钛矿形成铅-氧键,最终获得晶体颗粒增大、晶界数量减少、薄膜致密的钙钛矿层.由于氧化石墨烯在玻璃基底上的含量极低,大片玻璃基底裸露并与钙钛矿直接接触,因此钙钛矿层应视为制备在玻璃基底上.在氧化石墨烯纳米片的影响下钙钛矿与玻璃基底的接触更为紧密,有效降低界面间的激子非辐射复合概率,提高了界面间电荷传输性能.最终,在氧化石墨烯纳米片最优制备参数的影响下,钙钛矿光电探测器光电流相比空白对照器件提高了1个数量级,在3 V偏压下的开关电流比为5.22×10³,并且最优的光电探测器的光响应速度明显提高,上升时间为9.6 ...     

基于模板剥离法制备高性能钙钛矿单晶薄膜光电探测器

近年来,杂化钙钛矿半导体材料由于其带隙可调、吸收系数高、载流子迁移率高、成本低廉等诸多优点,在光电器件领域备受青睐,如太阳能电池、电致发光器件、光电探测器等。其中,钙钛矿单晶薄膜因其无晶界、杂质和缺陷含量低等特点,展现出更为优异的光学、电学特性,成为制备高性能光电器件的理想材料体系。然而,钙钛矿单晶薄膜常采用空间限域法直接生长在空穴传输层上,不可避免地将导致界面缺陷和载流子层间输运等问题,严重制约了钙钛矿单晶薄膜光电探测器的性能。为此,本文通过引入模板剥离法工艺技术,在钙钛矿单晶薄膜两侧分别蒸镀功能层材料,制备了结构为Cu/BCP/C₆₀/MAPbBr₃/MoO₃/Ag的钙钛矿单晶薄膜光电探测器。基于模板剥离法,两侧蒸镀的功能层与钙钛矿单晶薄膜接触紧密,将有效改善载流子的注入和传输;同时,优化的器件结构以及考虑能带匹配等因素可实现高灵敏、响应快速的钙钛矿单晶薄膜光电探测器。改进后器件的开关比高达3.1×10³,响应度可达7.15 A/W,探测率为5.39×10¹² Jones,...     

非磁性发光材料的磁场效应:从有机半导体到卤化物钙钛矿

磁场效应(magnetic field effects, MFEs)指的是材料或器件的光电物理特性(包括光致发光、电致发光、注入电流、光电流等)在外加磁场下发生的变化.本文所述的是非磁性发光材料的MFEs,其首先在有机半导体光电器件中被发现.近十几年来, MFEs作为一种新兴的物理现象引起了广泛的研究;同时它也成为一种独特的实验手段,用以探讨有机半导体中电荷的输运、复合以及自旋极化等过程.近期的研究发现, MFEs不仅存在于有机半导体中,而且在拥有强自旋-轨道耦合作用的金属卤化物钙钛矿材料中被观测到,这既拓展了MFEs的研究方向,也为通过研究MFEs来探索金属卤化物钙钛矿器件的物理机制,进而为提升其器件性能提供了契机.本文重点关注有机半导体和卤化物钙钛矿在磁场下的电致发光和光致发光变化,即发光的磁场效应.回顾了到目前为止主流的理论模型和代表性实验现象,对比分析了磁场下有机半导体和卤化物钙钛矿的发光物理行为.以期为有机及钙钛矿磁场效应领域的研究提供一些思路,同时为有机及钙钛矿发光领域的发展贡献些许想法.     

低维钙钛矿光电探测器研究进展

近年来,三维铅卤钙钛矿由于其优异的光电子性能,作为光电器件(如太阳能电池、发光二极管和激光器等)的新型半导体材料被广泛研究,然而三维钙钛矿的铅毒性以及稳定性差严重阻碍了其商业化应用。低维钙钛矿材料由于其优异的光电性能以及稳定性,在光电应用领域引起了广泛关注。除了用于光伏和发光二极管以外,低维钙钛矿已成为未来光电探测器有前途的候选者。本文对低维钙钛矿的结构、光电探测器的种类以及性能参数进行简要介绍,重点阐述了低维钙钛矿光电探测器的研究进展。同时,对本研究领域未来的发展方向进行了讨论。     

利用脉冲激光沉积外延制备CsSnBr3/Si异质结高性能光电探测器

钙钛矿半导体具有光吸收系数高、载流子扩散长度大和荧光量子效率高等优异物理特性,已在光电探测器、太阳能电池等领域展现出重要的应用潜力.但卤化铅钙钛矿的环境毒性和稳定性大大限制了该类器件的应用范围.因此,寻找低毒、稳定的非铅钙钛矿半导体尤为重要.利用锡元素替代铅元素并生长高质量的锡基钙钛矿薄膜是实现其光电器件应用的可行方案.本文采用脉冲激光沉积方法,在N型单晶硅(100)衬底上外延生长了一层(100)取向的CsSnBr₃钙钛矿薄膜.霍尔效应及电学测试结果表明,基于CsSnBr₃/Si半导体异质结在暗态下具有明显的异质PN结电流整流特征,在光照下具有显著的光响应行为,并具有可自驱动、高开关比(10⁴)以及毫秒量级响应/恢复时间等优良光电探测器件性能.本文研究结果表明利用脉冲激光沉积方法在制备新型钙钛矿薄膜异质结、实现快速灵敏的光电探测方面具有重要应用前景.     

稀土掺杂铅卤钙钛矿发光、光电材料与器件研究进展

铅卤化物钙钛矿作为一类新兴的光电子材料表现出了卓越的光学、电学性能,在太阳能电池、发光二极管、光电探测器以及激光等领域产生了广泛而重要的应用,引起万众瞩目。稀土是元素周期表里一类特殊材料,从57号到71号元素,具有4fⁿ和4f^n-15d电子组态。如果将稀土和钙钛矿材料以及器件相结合,会孕育出怎样的新生儿呢？本文旨在结合作者在相关领域开展的工作及取得的经验,简单梳理该领域近年来取得的进展,剖析未来所面临的问题和挑战。本文不以总结纷繁复杂的个性化现象为要扼,而以探讨具有普遍意义的共性问题为宗旨。在资料选取上,或许失之偏颇,有严重的“王婆卖瓜”之嫌,请读者慎思明辨。     

二维氟代苯甲胺钙钛矿结构和光电性能的理论研究

二维铅卤钙钛矿太阳能电池以其高稳定性等优良性质展现出重要的应用价值,越来越多的二维铅卤钙钛矿材料被用作太阳能电池的光吸收层,但是关于二维铅卤钙钛矿材料构效关系的理论研究十分匮乏.本文以苯甲胺铅碘、邻氟苯甲胺铅碘和对氟苯甲胺铅碘二维钙钛矿为出发点,通过第一性原理计算比较了它们的晶体结构、形成能、激子结合能、载流子迁移率以及对应器件的光电性能,以考察不同间隔基阳离子对钙钛矿结构、性质以及光电器件性能的影响.结果表明,二维钙钛矿的形成能绝对值越大,光电器件的稳定性越高;钙钛矿的激子结合能越小,光电器件的短路电流密度越大,归纳总结出预测器件短路电流密度的关系式.在间隔基末端使用吸电子基团修饰有望同时提高光电器件的寿命和短路电流密度.本研究对于二维钙钛矿材料有机间隔阳离子的设计和筛选具有指导意义.     

新型碳材料在钙钛矿太阳电池中的应用研究进展

新型碳材料如石墨烯及其氧化物、碳纳米管、富勒烯及石墨炔等因其优异的热学、力学、电学、光学性能成为了钙钛矿太阳电池研究的又一亮点. 本文总结了新型碳材料在钙钛矿太阳电池对电极、电子传输材料及空穴传输材料中的研究进展, 新型碳材料的引入有效地提高了钙钛矿电池的性能, 为下一步新型碳材料的应用开发以及钙钛矿电池器件的研究提供了新的思路.     

异质结构在光伏型卤化物钙钛矿光电转换器件中的应用

钙钛矿材料由于具有长的载流子扩散长度、较高的吸收系数和较低的缺陷态密度等优点在太阳电池、光电探测器、发光二极管等光电转换器件领域得到广泛应用.同时,层状二维材料、低维半导体纳米结构、金属纳米结构和绝缘材料等功能材料因它们特殊的化学、电学和物理性质而越来越受到人们的关注.为了拓宽钙钛矿材料在光电转换器件的应用,可将钙钛矿与这些功能材料进行组合,形成异质结构,集成两种材料的优点.钙钛矿/功能材料异质结构可作为界面修饰层、电荷传输层、封装层等应用于卤化物钙钛矿光电转换器件中,用来抑制光生载流子的复合损耗,提升载流子的传输性能,改善器件的稳定性等.本文综述了钙钛矿与层状二维材料、低维半导体纳米结构、金属纳米结构和绝缘材料等形成的异质结构在光伏型光电转换器件中应用的最新研究进展,并对该方向未来的发展做出了展望.     

光栅结构减反膜在钙钛矿太阳能电池上的应用

钙钛矿太阳能电池作为新型的光伏器件目前获得了广泛的关注,其光电转换效率不断提高.钙钛矿电池的光电转换性能除了和钙钛矿薄膜的光电性能有密切关系之外,还受到器件的结构、界面、光学设计等方面的影响.研究了钙钛矿电池的表面光学特性,在电池表面引入一层减反薄膜,从而降低光线在表面的反射损失,以期提高电池的转换效率.通过研究薄膜微...     

非铅金属卤化物类钙钛矿发光材料研究进展

铅基卤化物钙钛矿发光材料因具有荧光量子产率高、发射光谱窄、发射波长可调等优异性能优势而备受关注。但金属铅的毒性和钙钛矿的稳定性是其未来在显示与照明领域实际应用中需要解决的问题。因此,探索与铅基卤化物钙钛矿光电性质相当、但更绿色环保的非铅金属卤化物类钙钛矿发光材料是势在必行的趋势。近年来,非铅金属卤化物类钙钛矿发光材料的研究取得了显著进展。本文总结了非铅金属卤化物类钙钛矿材料的晶体结构、制备方法和发光机理。归纳了影响非铅金属卤化物类钙钛矿光电性能的因素,并列举了在光致和电致发光器件领域的应用。最后,就如何进一步提升非铅金属卤化物钙钛矿发光材料的性能做了总结和展望。     

金属卤化物钙钛矿纳米光电材料的研究进展

金属卤化物钙钛矿广泛应用于太阳能电池、发光二极管和纳米激光器等领域,引起了科学家们极大的兴趣.纳米材料由于具有量子约束和较强的各项异性,表现出与普通块体材料不同的光学和电学性质.金属卤化物钙钛矿纳米材料具有可调节带隙、高量子效率、强的光致发光、量子约束效应和长的载流子寿命等优点,并且其成本低、储量丰富、易于合成多种化合物,有很广阔的光电应用前景.但另一方面,钙钛矿由于表面存在陷阱缺陷状态以及晶体边界导致稳定性较差,环境中的水、氧气、紫外线和温度等因素会使其光电性能大幅度降低.本文介绍量子点、纳米线、纳米片钙钛矿纳米材料的合成与生长机制,并且讨论其新奇的光电性能及在各种光电设备中的应用.最后总结了钙钛矿材料新出现的挑战并讨论了下一代金属卤化物钙钛矿光电设备应用.     

基于N型纳米晶硅氧电子注入层的钙钛矿发光二极管

钙钛矿材料由于其禁带宽度可调、光致发光量子产率高、色纯高等优点,使得其在发光器件上具有巨大的应用潜力.电子注入材料是钙钛矿发光器件中的重要组成部分,特别是n-i-p型发光器件,其直接影响后面钙钛矿的生长情况.本文通过向钙钛矿发光二极管中引入一种新型电子注入材料,n型纳米晶硅氧(n-ncSiO_x:H)借助于n-nc-SiO_x:H薄膜平滑的表面,有效地提高了沉积钙钛矿薄膜的结晶质量,同时其能带结构更加匹配,有效地降低了电子的注入势垒.为了进一步提升器件性能,向钙钛矿材料中引入合适比例的甲基溴化胺(MABr)、氯苯反溶剂中引入一定量的苯甲胺(PMA),通过MABr和PMA的协同作用提高了钙钛矿薄膜的覆盖率,降低了钙钛矿薄膜表面的缺陷密度,抑制了钙钛矿薄膜退火过程中的发光猝灭,最终获得了最大电流效率为7.93 cd·A~(-1)、最大外量子效率为2.13%的n-i-p型钙钛矿发光二极管.     

有机无机杂化固态太阳能电池的研究进展

近年来, 由于钙钛矿材料优良的光学吸收和电荷传导特性, 有机无机杂化固态太阳能电池取得了突破性的进展. 自2009年首次报道了光电转换效率为3.8%的钙钛矿太阳能电池以来, 该类电池的效率不断突破. 基于介孔薄膜的电池已取得了超过16.7%的认证光电转换效率, 基于平板异质结结构电池光电转换效率达到19.3%, 已接近传统硅基太阳能电池的光电转换效率. 本文将介绍有机无机杂化钙钛矿作为光电材料的光学物理结构特性, 以及在固态太阳能电池中的应用. 基于固态钙钛矿太阳能电池结构上的差异, 分别介绍其在多孔结构、平板异质结结构、柔性结构以及无空穴传导材料结构电池工作特性和各自优势, 以及影响电池特性的主要影响因素, 特别是钙钛矿成膜控制等. 并阐述对钙钛矿电池的理解和进一步提高固态钙钛矿电池光电转换效率需要关注的重点以及展望.     

高效稳定卤化物钙钛矿太阳能电池的进展与挑战（特邀）

近年来,有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池因其制作工艺简单、成本低、效率高等优点备受关注。问世至今短短十余年间,其光电转化效率已飙升至26%,目前在单异质结光伏电池中排名第三,并且未来仍具有很大的发展潜力。本文依次介绍了杂化钙钛矿材料的结构与性质,以及钙钛矿太阳能电池常见的器件结构演化过程,重点总结了近几年来在利用缺陷钝化策略提高光电转化效率方面取得的最新研究成果,最后阐述了钙钛矿太阳能电池面临的挑战并对其未来商业化前景进行了展望。     

有机金属卤化物钙钛矿中的离子迁移现象及其研究进展

近年来,卤化物钙钛矿太阳能电池由于其诸多技术优势引起了普遍的关注,其效率在几年内达到了认证的24.2%,接近目前已经民用化的晶体硅太阳能电池.卤化物钙钛矿在外加电场作用下除了具有电荷传输能力外,还表现出离子迁移现象,是一种兼具半导体和离子导体特性的材料.离子迁移不仅直接改变了钙钛矿晶体的局部化学配比,而且会对材料的电学性质乃至相应器件的工作机理产生极大影响.本文总结了离子迁移的形成机制、基本特征及其对器件工作过程的影响(如可翻转的光伏现象、电流迟滞现象等),介绍了一些关于抑制离子迁移的最新研究进展.目前关于钙钛矿材料中的离子迁移现象的认识仍不全面,深入理解卤化物钙钛矿材料中的离子迁移现象对推动钙钛矿太阳能电池的发展和应用十分重要.     

蓝光钙钛矿发光二极管:机遇与挑战

基于金属卤化物钙钛矿材料制备的发光二极管(LED)发展迅速,短短五年内,近红外、红光和绿光钙钛矿发光器件的外量子效率均超过了20%,在显示与照明领域展示出很好的应用前景.然而,蓝光钙钛矿LED的性能相对较差,制约了钙钛矿LED在全色显示领域的应用.目前,实现钙钛矿蓝光主要有两种方式,一种是基于卤素掺杂的组分工程,另一种是基于量子限域效应的维度调控.本文主要介绍了基于这两种方法的蓝光钙钛矿LED的发展历程,讨论了蓝光钙钛矿LED面临的主要问题,并对如何提升蓝光钙钛矿LED性能进行展望.     

有机-无机杂化钙钛矿材料的本征稳定性

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已逾24%,效率的飞速提升加之可低成本溶液法制备的市场优势,使人们越来越期待钙钛矿太阳能电池的商业化.目前钙钛矿太阳能电池商业化所面临最大的障碍是材料乃至器件的长期不稳定性,这使其无法在使用寿命上与已商品化的硅基等太阳能电池匹敌.本文从化学不稳定性和相不稳定性两个层面剖析了有机-无机杂化钙钛矿材料本征不稳定性的问题,并从组分设计及制备工艺等角度给出了提高钙钛矿太阳能电池器件稳定性的相关建议.