有机无机杂化钙钛矿材料的铁电及压电特性研究

近年来,有机无机杂化钙钛矿材料作为一种新型的光电材料凭借其简单的低温制造工艺、可调节的带隙宽度、成分各异的元素组成,以及优秀的电荷转移特性等众多优异性能,在光电器件领域取得了前所未有的进展。基于有机无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池器件起源于2009年,这种材料首先作为无机敏化剂被用于液体电解质染料敏化太阳能电池中以替代染料分子。但是由于此种结构的钙钛矿太阳能电池器件的光电转化效率仅有3.8%,且具有非常差的稳定性,在当时并未引起人们太多的重视。直至2012年,利用固体空穴传输层取代钙钛矿太阳能电池中的液体电解质材料,钙钛矿太阳能电池才实现了9.7%的光电转化效率的突破,并且稳定性得到了进一步提高。自此之后,一发不可收拾,在短短几年的时间里,基于有机无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池效率被大幅提高到了22.1%。这一成果技术被科学和自然杂志的主编们评选为2013年度最大科技突破之一。另外,这一进展也点燃了人们利用有机无机杂化钙钛矿材料实现其它高性能光电器件研究的热情,人们戏称为“钙钛矿热”。但是如此迅速的发展,必然导致一个问题的出现,就是对有机无机杂化钙钛矿材料自身的物理化学性能的认知严重滞后。尤其是在研究太阳能电池光电流迟滞效应机理时,对有机无机杂化钙钛矿材料铁电性能的发现始终困惑着研究人员。这种迟滞响应使钙钛矿太阳能电池的真实光电转化效率和性能受到人们的质疑,并且严重阻碍了钙钛矿太阳能电池技术的进一步发展。同时,对有机无机杂化钙钛矿材料具有的压电特性的无知也阻碍了其在更广阔压电器件领域的应用。

近期,长春理工大学丁然博士和南方科技大学孙小卫教授合作,在综述文章“Organometal Trihalide Perovskites with Intriguing Ferroelectric and Piezoelectric Properties”中,从材料铁电和压电性能等方面梳理了目前发表的基于有机无机杂化钙钛矿材料的理论和实验工作。深入了解材料铁电和压电性能将有助于优化设计思路和技术手段,有效提高基于有机无机杂化钙钛矿材料的光电功能器件,同时开创在铁电与压电研究领域新的方向。该综述也总结了各种有机无机杂化钙钛矿材料的制备方法,其中包括多晶薄膜、块单晶和纳米晶等。其次,该综述还总结了近阶段基于有机无机杂化钙钛矿材料在压电器件以及一些典型的光电功能器件方面的应用。最后,该综述细述了当前有机无机杂化钙钛矿材料面临的挑战,和展望了其在铁电和压电领域未来的发展机遇。

相关论文发表于近期的Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201702207)上,第一作者为丁然博士,本科和博士毕业于吉林大学电子科学与工程学院,在新加坡南洋理工大学从事博士后研究,现任长春理工大学助理研究员。主要从事有机晶体材料、钙钛矿材料的合成及其在电致发光器件、纳米发电机等方面的应用。