二维单层有机-无机杂化钙钛矿半导体

由于目前全球能源消费中化石燃料占比过多带来了一系列环境和气候问题及不可持续性,发展经济、可靠、高效的可再生能源因而得到了与日俱增的重视和广泛研究。太阳能电池可以将清洁可再生的太阳能转换为电能以便于输运、存储和使用从而备受关注。有机-无机杂化钙钛矿材料由于其液相生长制备成本较低、易于规模化合成且能量转化效率高的优点在短短几年内就成为了太阳能电池研究领域的明星材料。其能量转化效率从2012年的不到10%在4-5年的时间内迅速提高到了目前的>22%。杂化钙钛矿太阳能电池的能量转化效率已经可以与硅太阳能电池相比拟,比目前市场份额占比~90%的商用多晶硅太阳能电池模块的效率(~18%)还高出了不少。不仅如此,杂化钙钛矿作为一种具有离子特性的直接带隙半导体材料,在光电器件如发光二极管、光电探测器等方面也有着广泛的应用前景。

但是目前杂化钙钛矿材料的稳定性还非常差,当暴露在光照下以及在受热或者与水/氧气接触的情况下很容易在短时间内(~5天)就几乎完全降解失效,严重制约了其在光伏/光电器件方面的商业化应用,亟待进一步的研究和改善。此外,目前主流的杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)中含有有毒重金属铅(Pb),而Pb进入生物体后会破坏神经系统且很难被自行排出,由于环境和健康方面的担忧,发展无铅杂化钙钛矿材料也是目前的重要研究方向之一。研究表明二维层状杂化钙钛矿较三维杂化钙钛矿材料在外界环境如湿度和光照下更稳定,而且其平面型结构便于封装从而可进一步提高其稳定性(超过100天)。2015年美国加州大学伯克利分校杨培东小组成功生长得到了原子厚度的单层及少数层有机-铅-溴(Br)二维杂化钙钛矿材料BA2PbBr4 (BA: 有机阳离子C4H9NH3+),其带隙约为~3.0 eV,可望被用于制备新型光电器件,如发光材料和光探测器等。

AENM-zengxiaocheng

美国内布纳斯加大学林肯分校曾晓成教授领导的研究小组利用第一性原理计算理论研究了二维单层有机-金属-碘(I)杂化钙钛矿BA2MI4 (M:铅Pb, 锡Sn, 锗Ge)的电子/激子性质包括能带结、载流子有效质量等,并估算了这类材料中的电子空穴对(激子)的结合能和作用半径。理论研究表明BA2MI4二维单层有机-无机杂化钙钛矿半导体的带隙在1.5-2.0 eV区间内可调,并且具有较强的激子效应。相比于BA2PbBr4, BA2MI4的带隙更加适中,载流子有效质量也大幅减小,相应的,其载流子迁移率预计也将有所提高。BA2MI4的激子结合能估算约在250-550 meV范围内,比单层二硫化钼和磷烯等无机二维材料的小~2-3倍。这类BA2MI4二维有机-无机杂化钙钛矿材料有望用于光电及光伏器件等方面的应用,如果将其与二维无机材料堆叠形成平面异质结界面,有可能会出现新的功能和应用,还需要进一步的实验研究。此外BA2SnI4和BA2GeI4有望在杂化钙钛矿无铅化研究中得以利用。

相关研究成果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201601731),并被选做当期的封面热点(Front Cover)重点报道。

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