光与电的共舞：钙钛矿材料的奇妙探索

学术 2024-10-16 18:01 北京

文章来源：光电期刊

原文作者：厦门大学John

随着新能源技术、材料科学以及绿色能源的快速发展，我们仿佛置身于一片充满潜力的材料创新海洋中，生活中的每一次技术进步、每一个新材料的出现，都在不断扩展这个领域的边界，永无止境。然而，新材料的不断涌现也给人们的研究和应用带来了一系列的问题，例如：材料稳定性的不足、生产成本的高昂等等。基于钙钛矿的独特结构与光电性能，使得其在太阳电池、发光二极管、激光器等领域的应用受到了广泛关注。

钙钛矿材料起源于19世纪，经历了多次配方和结构的优化。近年来，钙钛矿太阳电池的转换效率迅速提高，其材料成本低和制备工艺简单的优势使得它逐渐在光伏领域崭露头角。随着新能源黄金时代的到来，对高效、低成本光伏材料的需求成为一种趋势。根据国际能源署（IEA）发布的2023年可再生能源年度展望报告，随着太阳能光伏市场的快速发展，特别是在中国的推动下，全球可再生能源装机容量在2023年实现了近50%的年度增长，这是过去20年来最快的增长速度。IEA预测，到2028年，中国新增可再生能源装机容量将占全球新增可再生能源装机容量的近60%。主流的硅基太阳能电池虽然效率高，但面临着制备温度高、制造工艺复杂等问题，难以满足未来的大规模应用需求。[1]此时，钙钛矿材料凭借其卓越的光电转换效率和低廉的制造成本，在新能源领域呈现出日益凸显的重要性，同时相关的研究工作也成为了全球相关研究团体及科技公司的关注焦点。

图1 钙钛矿太阳能电池

钙钛矿的神奇特性

钙钛矿是一类具有特定晶体结构的材料，最早发现于1839年的矿物CaTiO3。维克多·戈德施密特于1926年在他关于容差因子的工作中首次描述了钙钛矿的显着晶体结构。晶体结构后来于1945年由海伦·梅高根据钛酸钡的X射线衍射数据发表。图2展示了钙钛矿的结构示意图。现代研究发现，钙钛矿材料不仅种类繁多，还拥有许多令人惊叹的光电特性。[2]钙钛矿具有非常高的光吸收系数，这意味着它们能够以极少量的材料吸收大量的光能。这不仅提高了光电转换效率，同时也降低了制造成本。钙钛矿的带隙可调，这是通过改变其化学组成来实现的。这一特性使得钙钛矿能够适应不同的光电应用需求，比如太阳电池和发光二极管等。[3]最吸引人的自然是钙钛矿材料的制备过程相对简单的优点，其可以通过溶液法制备，这与传统的硅基太阳能电池相比，具有明显的成本优势。钙钛矿还具有良好的热稳定性和机械稳定性，这对于确保太阳能电池等设备的长期稳定运行至关重要。

图2 钙钛矿结构示意图

钙钛矿太阳电池的突破

传统的硅基太阳电池尽管已经广泛应用，但其存在着制造成本高和能耗大的问题，而钙钛矿太阳能电池以其低成本和高效率的优势迅速崭露头角。钙钛矿电池主要有单结钙钛矿电池和叠层钙钛矿电池。如果太阳电池的吸收层只包含一层钙钛矿层，那么就是单结钙钛矿电池。所谓叠层钙钛矿电池，是指钙钛矿层可以堆叠在彼此之上，也可以堆叠在传统晶硅太阳电池之上，形成能够吸收更宽太阳光谱的“串联”电池。按照不同材料的堆叠，叠层钙钛矿电池的技术路线有晶硅/钙钛矿叠层电池、全钙钛矿叠层电池、薄膜电池（如铜铟镓硒）/钙钛矿叠层电池等。钙钛矿太阳电池一般由玻璃基底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极五部分组成，其结构如图3所示。目前，单结钙钛矿太阳电池的光电转换效率已经超过25%，接近硅基电池的水平。此外，由于钙钛矿材料可以通过溶液工艺制备，这使得其在大规模生产中更具经济性。牛津大学的研究团队在钙钛矿太阳能电池方面取得了显著的进展。通过优化材料的结构和制备工艺，该团队成功地将钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提升到了28%，这一成就标志着钙钛矿材料在光伏产业中的应用潜力得到了极大验证。[4]

图3 钙钛矿太阳电池结构示意图

多功能光电探测器

钙钛矿材料的另一个重要应用是光电探测器。由于其宽带隙可调性和高光吸收系数，钙钛矿光电探测器可以在紫外到近红外波段内实现高灵敏度探测。这为科学研究、环境监测和医疗诊断等领域提供了更多可能性。例如，钙钛矿光电探测器可以用于检测环境中的有害物质，或是用于高精度成像技术中，从而推动技术的发展和应用。其中，二维钙钛矿光电探测器的应用前景广阔。它们可以用于高效率的太阳电池中，将太阳光转换为电能；在医疗成像领域，它们可以提供高分辨率和高灵敏度的成像技术；此外，在夜视和红外探测等安全监控系统中，二维钙钛矿探测器的低暗电流和高响应速度将极大提升系统性能。[5]图4.1显示了二维钙钛矿光电探测器工作机理，图4.2显示了钙钛矿光电探测器。微软亚洲研究院（Microsoft Research Asia）利用钙钛矿材料开发了一种新型光电探测器，该探测器具有高灵敏度和宽光谱响应的特点。这一成果不仅为环境监测和医疗诊断提供了新的技术手段，还为智能设备的光电应用开辟了新的方向。

图4.1 二维钙钛矿光电探测器工作机理

图4.2 钙钛矿光电探测器

钙钛矿LED的前景

除了可用于太阳电池和光电探测器，钙钛矿材料在发光二极管（LED）中的应用也备受关注。钙钛矿LED不仅具有高发光效率，还可以通过改变化学组成来调节发光颜色。钙钛矿LED的高效率意味着它们可以以较低的能耗产生明亮的光输出，而它们的可调谐性则允许通过简单的化学调整来实现不同颜色的发光，这为全彩显示和照明提供了新的可能性。[6]此外，钙钛矿的柔性和透明性为可穿戴设备和智能窗户等创新应用铺平了道路[7]。尽管稳定性和制造工艺的挑战仍然存在，但随着材料科学的快速发展，这些问题有望得到解决，从而使钙钛矿LED在未来的光电市场中占据重要地位。图5这项研究是将非辐射能量传递机制与色转换技术相结合，从性能提升、工艺精简方面“双管齐下”，以达成用更低的成本实现高质量全彩显示效果。三星电子利用钙钛矿材料制造出了一款新型的高效发光二极管（LED），这种LED不仅具有高亮度和低能耗的优势，还可以通过调整化学成分实现多彩发光。这一技术突破为下一代显示技术和智能照明系统带来了巨大的发展空间。麻省理工学院（MIT）的研究人员通过钙钛矿材料开发出了一种高效的发光二极管（LED），这种LED不仅在亮度和能效上具有显著优势，还展示了良好的稳定性和耐用性，预示着在消费电子和照明领域的广阔应用前景。

图5 利用玻璃微孔阵列，双组分钙钛矿量子点应用于蓝光Micro-LED色转换层中

挑战与未来

在新能源技术的蓬勃发展的浪潮中，钙钛矿材料以其卓越的光电特性，正成为推动这一变革的关键力量。钙钛矿不仅极大地拓展了光电转换的策略，也为高效能源的获取和利用提供了全新的解决方案。钙钛矿材料的光吸收系数高，能够在极小的体积内捕获大量的光能。钙钛矿太阳电池的结构精巧，通过简单的溶液加工即可实现，预示着未来太阳电池生产方式的一场变革。[8]在光电探测器和发光二极管（LED）的应用上，钙钛矿材料同样展现出了巨大的潜力。它们如同现代生活的“魔术师”，以色彩的变化和光线的调控，为人类的日常生活增添了无限的色彩和便利。尽管钙钛矿光电材料展示了许多优异特性，但在实际应用中仍面临一些挑战。比如，其长期稳定性和环境友好性仍需进一步提高。此外，如何在保证高性能的同时实现大规模生产，也是一个重要课题。然而，随着科学研究的不断深入和技术的持续进步，这些问题有望逐步得到解决。钙钛矿材料也将以其独特的“超能力”，在新能源技术的舞台上，为人类在数字时代的自由探索和创新活动提供坚实的支撑，为我们的生活带来更多的惊喜与便利。

参考文献

[1] IEA（2024），《可再生能源 2023》，IEA，巴黎 https://www.iea.org/reports/renewables-2023，许可证：CC BY 4.0

[2] Shen TY, Qin JJ, Bai YJ, Zhang J, Shi L et al. Giant magneto field effect in up-conversion amplified spontaneous emission via spatially extended states in organic-inorganic hybrid perovskites. Opto-Electron Adv 5, 200051 (2022). doi: 10.29026/oea.2022.200051

[3] Serpetzoglou E, Konidakis I, Kourmoulakis G, Demeridou I, Chatzimanolis K et al. Charge carrier dynamics in different crystal phases of CH3NH3PbI3 perovskite. Opto-Electron Sci 1, 210005 (2022). doi: 10.29026/oes.2022.210005

[4] Elbanna A, Chaykun K, Lekina Y, Liu YD, Febriansyah B et al. Perovskite-transition metal dichalcogenides heterostructures: recent advances and future perspectives. Opto-Electron Sci 1, 220006 (2022). doi: 10.29026/oes.2022.220006

[5] Yan DD, Zhao SY, Zhang YB, Wang HX, Zang ZG. Highly efficient emission and high-CRI warm white light-emitting diodes from ligand-modified CsPbBr3 quantum dots. Opto-Electron Adv 5, 200075 (2022). doi: 10.29026/oea.2022.200075

[6] Tan DZ, Sun K, Li ZL, Xu BB, Qiu JR. Photo-processing of perovskites: current research status and challenges. Opto-Electron Sci 1, 220014 (2022). doi: 10.29026/oes.2022.220014

[7] Lu TW, Lin Y, Zhang TQ et al. Self-polarized RGB device realized by semipolar micro-LEDs and perovskite-in-polymer films for backlight applications. Opto-Electron Adv 7, 230210 (2024). doi: 10.29026/oea.2024.230210

[8] Xiao TX, Tu S, Liang SZ, Guo RJ, Tian T et al. Solar cell-based hybrid energy harvesters towards sustainability. Opto-Electron Sci 2, 230011 (2023). doi: 10.29026/oes.2023.230011

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