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美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发出新型二维杂化钙钛矿材料,助力高效光电设备的设计和制造

2017-03-14 286浏览 标签: 钙钛矿美国

201739,来自美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的科学家和他们的研究合作伙伴开发出了一种新型二维层状杂化钙钛矿材料,可以使设计和制备高效光电设备变得更简单。该材料的应用包括低成本太阳能电池、发光二极管、激光二极管、探测器以及其它纳米光电子设备。

此篇发表于《科学》杂志的论文的领导者Jean-Christophe Blancon 说:我们的材料是层状物,这表明它是由纳米级厚的二维层状钙钛矿材料组成的,这些二维钙钛矿材料由薄的有机层分开。此项工作成果可以打破传统的基于层状钙钛矿材料进行器件设计的局限性。

二维“Ruddlesden-Popper”单晶薄膜具有面外取向(out-of-plane orientation),可以在平面设备的钙钛矿层中使电荷进行自由传输。此项新的研究在钙钛矿层的边缘发现了层边缘状态 layer-edge-states),这对高效率(大于百分之十二)太阳能电池和高荧光效率(几十个百分点)的发光二极管都很重要。激子(空穴-电子对)向自由载体的自主转化对于改善光伏和发光薄膜材料都很重要。

该团队研究了纯相同质的二维钙钛矿材料的光物理学和光电性质。他们证明了层状钙钛矿薄膜材料有一种固有机制:可以将电子-空穴对解离为由层状钙钛矿的边缘处的较低能量状态提供的长寿命自由载流子。

此外,一旦载流子被捕获在这些边缘状态中,它们可以受到保护并且不会通过非辐射过程损失能量。它们可以在光伏器件中为光电流做出贡献,或者与光发射应用有效地进行辐射结合。洛斯阿拉莫斯国家实验室物理化学和应用光谱研究组的Jared Crochet说:这些材料是量子杂化材料,具有有机半导体和无机半导体量子阱的物理性质。我们刚刚开始了解二维钙钛矿中有机和无机成分的相互作用,这一研究结果证明了如何通过竞争性物理性能competing physical properties)产生独特的性质。

在洛斯阿拉莫斯国家实验室的材料合成和集成器件组领导了钙钛矿项目的Aditya Mohite说:此次的研究成果解决了在钙钛矿家族材料、以及其它大量边缘和表面状态会降低其光子性能的材料中存在的问题,我们现在可以通过化学设计与工程实现高效的能量和电荷流动,从而带来更高效的光电子设备。

来自美国西北大学、此篇论文的共同作者Mercouri Kanatzidis说:二维杂化钙钛矿材料不断给我们带来惊喜,当我们第一次设计出这些材料时,我们希望那些高质量的样品可以展现出新的光电性能。它们确实表现做到了这些,并且已经超出了我们的预期,这证明了它们确实是了不起的系统。

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