Small Methods: 钙钛矿纳米晶:超越太阳电池的合成与应用

近年来,卤化物钙钛矿半导体材料及器件的研究受到了前所未有的关注。从2009年的全固态有机无机杂化钙钛矿太阳电池的3.8%光电转换效率到当前超过22%的效率仅仅过去了9年,使其成为目前最受关注的新兴太阳能光伏材料之一。除了结晶态薄膜在光伏中的应用,各种新形态的卤化物钙钛矿半导体材料的研究也层出不穷,如单晶钙钛矿,钙钛矿量子点、纳米线、纳米片、纳米柱等。其中,由于钙钛矿纳米晶材料具有可低温合成、材料尺寸大小可控、合成方法丰富、高可掺杂性、工艺简单、光学带隙可覆盖紫外到近红外区域等优点,钙钛矿纳米晶材料的研究近年来呈现百花齐放的姿态。与传统无机纳米晶材料不同,钙钛矿纳米晶材料从被报道至今,其在光电器件中的研究已经深入到各个领域,通过采用不同的合成方法及不同形态的钙钛矿纳米晶材料,其可覆盖从微纳器件到大面积集成光电器件的应用。

近日,新加坡南洋理工大学的张其春教授课题组对当前不同钙钛矿纳米晶材料的合成方法做了系统性的总结与评述,并对其在钙钛矿光伏之外的各种典型的光电器件的应用进行了系统性的梳理。从无机的铯铅卤化物钙钛矿CsPbX3(X = Cl, Br, I)纳米立方体开始,详述了其在不同温度与合成环境下的先进合成策略;在此基础上,进一步的归纳了近年来钙钛矿纳米晶材料的M2+体系的金属掺杂(Mn2+, Sn2+, Cd2+, Zn2+)合成工作;进而介绍了近年来无铅钙钛矿纳米晶的合成进展,重点介绍了CsSnX3与MA3Bi2X9体系;最后总结了常见的MAPbX3与FAPbX3的各种合成方法与纳米晶的形态对材料光电特性的影响。除传统的钙钛矿纳米晶材料体系,进一步探讨了钙钛矿纳米片材料的合成方法,如二维层状晶体结构的无铅钙钛矿纳米片;紧接着归纳了当前新颖的钙钛矿纳米线的合成方法,主要介绍了CsPbX3纳米线的可控合成与生长。在该工作的第二部分,重点介绍了各种形态及不同体系的钙钛矿纳米晶材料在各种光电器件中的应用,包括红绿蓝的钙钛矿发光二极管、受激辐射光放大/光泵浦激光、光电探测器、随机存取存储器以及压电纳米发电机等。文末,进一步探讨了钙钛矿纳米晶材料在未来合成方式上可能的突破以及光电器件中的应用前景。

论文的第一作者王宁博士目前为吉林大学物理学院教授。该综述发表在 Small Methods(DOI:10.1002/smtd.201700380)上,题为“Perovskite-Based Nanocrystals: Synthesis and Applications beyond Solar Cells”。

 

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