Advanced Materials: 含铅钙钛矿卤化物的潜在替代材料——基于ns2孤对电子构型的光电半导体及其应用

近年来,含铅卤化物钙钛矿材料由于具有优异的物理性质,在太阳能电池、发光二极管、光电探测器等多个重要的光电领域都显示了巨大的应用前景。尽管含铅钙钛矿的内秉热力学不稳定性及铅毒性仍是制约这类材料大规模商业化应用的主要障碍,但是,这类材料家族具有的一些共有物理属性特点,仍为设计新型高性能光电材料提供了非常有价值的设计准则与参考。含铅卤化物钙钛矿优异的光电特性源于嵌入在共价-离子键结合的钙钛矿晶格中的Pb2+-6s2孤对电子构型。这种独特的电子结构被认为是引发一系列优异光电性质的本质原因,包括强的光学吸收系数、高载流子迁移率、长载流子扩散长度、合理的激子结合能以及高的缺陷容忍度等。同时,这种结合孤对电子构型来解释含铅钙钛矿光电性质的思路也得到了许多实验工作的证实。

除Pb2+离子外,ns2孤对电子构型还存在于其他离子中,例如Sn2+,Ge2+,Sb3+,Bi3+,Te4+和Tl+等。通过改变化学组分与晶体结构,可以发现一系列拥有相似电子结构的无铅光电材料,例如V-VI族化合物、卤化物双钙钛矿、磷族氧卤化物等,这些材料近年来也引起了科研人员的广泛关注。随着对材料的物理性质和器件性能优化方法的不断探索,关于这些材料的内部物理机制与合适的光电应用方向之间关联性的综合性认知也在持续地更替中。

近期,吉林大学张立军团队撰写了关于含ns2孤对电子构型的光电半导体相关工作的综述,论文第一作者为团队的李天姝博士。文章从含铅卤化物钙钛矿出发,针对材料包含的孤对电子构型对其光电性质的多方面影响进行了分析。依据近年来发表的相关工作,整理并归纳了一系列含ns2孤对电子构型的半导体光电材料。考虑到结构维度是影响材料的电子结构、载流子输运以及光电特性的一个重要物理因素,文章按照相关材料的结构维度顺序,回顾了每种材料的晶体结构、电子和光学性能以及器件应用,同时总结了近五年领域内针对材料和器件的性能调控的相关研究进展。最后,文章结合了材料的结构维度、物理性质和光电应用类型,讨论了制约材料进一步发展的主要因素和未来可尝试的发展方向,并提出了基于ns2孤对电子构型的新型光电半导体材料的设计准则。

论文信息:

Alternative lone-pair ns2-cation-based semiconductors beyond lead halide perovskites for optoelectronic applications

Tianshu Li, Shulin Luo, Xinjiang Wang, Lijun Zhang*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202008574

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008574