全无机三卤钙钛矿纳米晶——光电材料研究的新前沿

与钛酸钙(CaTiO3)具有相同晶体结构、化学式为AMX3(A是一价有机或无机阳离子、M代表二价p区金属离子、X代表卤素离子)的一类化合物,人们称之为三卤钙钛矿材料。根据其中“A”位上的阳离子的不同,可分成有机-无机杂化和全无机三卤钙钛矿两类。前者是一类性能非常优异的太阳能电池材料。2014年以来,基于有机-无机杂化钙钛矿的太阳能电池迅速成为一匹光伏“黑马”,引发国际上出现了“钙钛矿热(perovskite fever)”。但是,稳定性差是有机-无机杂化钙钛矿的“软肋”。在这种背景下,同时也受到有机-无机杂化钙钛矿在光伏器件上大获成功的激励,人们开始关注稳定性优于杂化钙钛矿的全无机三卤钙钛矿纳米材料。2015年1月首篇关于全无机钙钛矿纳米晶的报道发表以来,围绕着CsPbX3(X= Cl, Br, I)及其类似化合物纳米晶的研究,如雨后春笋般涌现,并呈现“爆炸式”的增长态势。

AM-hexianghong

近日,江苏理工学院贺香红副教授和香港科技大学杨世和教授合作,梳理了该领域到现在为止的主要研究工作。在客观分析三卤钙钛矿材料的研发历程以及优于传统的硫化物半导体量子点的性能之后,着重总结了全无机钙钛矿纳米晶的研究的关键问题,包括可控液相合成策略与形貌/尺寸调控、结构与相变、可调谐的光电性质、稳定性问题以及光电与光伏应用等。首先,总结了纳米晶的各种液相合成策略,列表比较了热注射法、配体介导室温沉淀法、室温过饱和-重结晶法以及液滴微流控合成法的优劣;并从反应温度及表面配体的影响两个角度,概述了纳米晶的形貌与尺寸调控。接着,以CsPbBr3纳米晶为例,阐述了物质的结构与相变问题。再次,在介绍纳米晶的电子结构特征以及改变卤素组成对带隙的影响之后,着重从组成、颗粒尺寸与形貌以及温度三个方面,分析了纳米晶的可调谐光致发光性能;并总结了偏极化发光与放大自发辐射发光特性。然后,他们在总结全无机钙钛矿纳米晶在光电器件上成膜的方法之后,详细介绍了在荧光转换型LED与电致发光LED、激光、光检测以及光伏等器件(或领域)的应用研究现状。最后,从全无机钙钛矿材料组成、环境与安全、稳定性提高、制备方法、基质作用等方面,阐述了今后预期发展的方向。综述文章发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201700775)上。