Nano Select:光子晶体在钙钛矿光电器件中的应用

钙钛矿材料由于其载流子扩散长度长、载流子迁移率高、光致发光量子产率高等优点被广泛应用在光电器件中,此外,可溶液加工和可印刷的特性使得其在商业化柔性器件中具有很好的应用前景。然而,光利用率较低、长期稳定性差以及晶体质量不佳等问题限制了钙钛矿光电器件在实际中的应用。光学设计是一种有益于增加薄膜光捕获,延长光路,同时提高钙钛矿薄膜的质量并释放薄膜内残余应力,从而有效地提高钙钛矿光电器件性能的方法。其中,光子晶体作为一种最常见的仿生光控结构,具有光子限域、荧光增强和低光子效应等独特的光学性能,近些年来,学者们将光子晶体广泛应用于钙钛矿光电器件中,大幅度地提升了钙钛矿光电器件的性能。

最近,北京科技大学杨洲教授团队在Nano Select上对近年来光子晶体在钙钛矿光领域(钙钛矿太阳能电池、钙钛矿基发光二极管、钙钛矿基传感器)的应用进展和前景进行了系统的阐述。该综述文章从光子晶体结构对钙钛矿薄膜的反射、散射、透射以及吸收的作用入手,通过选取一些典型的光子晶体在钙钛矿器件中的应用,总结了光子晶体对钙钛矿太阳能电池、钙钛矿基发光二极管和钙钛矿基传感器效率及稳定性的影响。最后,文章展望了光子晶体在钙钛矿光电领域的未来发展趋势和挑战:

(1)钙钛矿光电器件中应用的光子晶体其主要构建材料仍然局限于SiO2和TiO2。为了进一步提高器件的性能,如彩色钙钛矿太阳能电池的透光率、钙钛矿基光电探测器的灵敏度和响应率、钙钛矿基发光二极管的外量子效率等,需要开发新型构建材料去制备更高效的光子晶体结构。

(2)无论光子晶体钙钛矿光电器件中的有效性如何,大面积光子晶体薄膜的成本仍然是一个挑战。气液自组装是制备光子晶体常用的方法,但大面积光子晶体薄膜的均匀性仍需提高。利用光刻技术和电子束蒸发器可以制作均匀度高的大面积光子晶体,但成本都很昂贵。大面积光子晶体中成本与质量的权衡限制了其在钙钛矿光电器件的实用性。从工业制造过程来看,开发低成本的制造技术来实现高品质的光子晶体是非常有必要的。

(3)结合不同的光子晶体结构来开发高性能的钙钛矿光电器件是未来的发展方向。其中,光子晶体对太阳能电池器件光利用率的优化以及对器件效率的影响依然有很大的提升空间。此外,光子晶体还可以改善钙钛矿层的结晶生长和电荷转移。因此,应考虑合适的光子晶体结构的组合。

此外,关于钙钛矿器件中光子晶体的研究仍主要集中在提高光学性能以实现高效率方面。然而,电性能对于实现高效光电器件也很重要。未来的探索应集中在光子晶体对器件光学和电学性能的平衡上。为了实现钙钛矿光电器件从实验室向市场的转换,光子晶体在钙钛矿光电器件中的发展还需要更深入的研究。

相关综述发表在Nano Select上(DOI: 10.1002/nano.202100163),本文第一作者为北京科技大学杨霞(博士),第一单位第一通讯作者为北京科技大学杨洲教授,合作单位为南昌大学胡笑添研究员(共同通讯)。欢迎各位同仁交流和合作!

上述研究工作得到了国家自然科学基金(51973017, 22005131)的支持。

论文信息:

Photonic crystals for perovskite-based optoelectronic applications

Xia Yang,Hanjun Yang,Xiaotian Hu*,Fangfang Li,Zhou Yang*

Nano Select

DOI: 10.1002/nano.202100163

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/nano.202100163

Nano Select

Nano Select是创刊于2020年的综合开放获取期刊。期刊收稿范围广泛,涵盖纳米或微米尺度下的理论研究、实验结果、工业应用等各领域,读者范围广。该刊发表原创研究论文及综述文章。