二维材料在卤化物钙钛矿基光电器件中的 应用
发布时间：2022-12-06 10:58:40 所属栏目：应用 来源：
导读： 【摘要】卤化物钙钛矿材料由于具有很高的光吸收效率、较长的载流子扩散长度、较强的光发射谱以及极低的非辐射电荷复合等优点，因此对于发展高性能的光电器件来说是极有吸引力的光活性材料。
这些光电器件
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【摘要】卤化物钙钛矿材料由于具有很高的光吸收效率、较长的载流子扩散长度、较强的光发射谱以及极低的非辐射电荷复合等优点，因此对于发展高性能的光电器件来说是极有吸引力的光活性材料。 这些光电器件不仅成本低，而且容易制作。要实现卤化物钙钛矿基光电器件（HPODs）的最佳性能，就要使钙钛矿光活性层与电极、界面层和封装薄膜等功能材料进行结合并有效地运行。由于传统的二维材料具有独特的结构和/或有趣的光电特性，因此是实现这一目标的合适候选。 近日，清华大学石高全教授（通讯作者）等人以“Two-Dimensional Materials for Halide Perovskite-Based Optoelectronic Devices”为题在Advanced Materials上发表综述，广泛总结了传统二维材料在卤化物钙钛矿基光电器件（光探测器、太阳能电池、发光二极管）中应用的最新进展。这些二维材料包括了石墨烯及其衍生物、单层或多层过渡金属硫化物（TMDs）、石墨炔、金属纳米片等。此外，文中也对二维纳米结构钙钛矿和二维Ruddlesden-Popper钙钛矿在高效和稳定光活性层中的应用作了概述。关于二维材料的制备、功能和工作机理等方面也作了介绍，最后探讨了二维材料在卤化物钙钛矿基光电器件中应用时所面临的挑战。 综述总览图 1. 概述 近年来，由于卤化物钙钛矿材料在高性能光电器件中的应用潜力，因此吸引了研究者们极大的关注。一般来说，卤化物钙钛矿材料可以用化学式ABX3表示，其中，A代表一价阳离子（例如Cs+、Rb+、CH3NH3+或HC(NH2)2+），B代表二价金属离子（例如Pb2+、Sn2+、Ge2+），X代表卤化物离子（典型的如Cl-、Br-、I-或它们的混合）。一个典型的三维钙钛矿晶体中B占据一个[BX6]4-八面体的中心，同时，A在立方八面体内是12配位的，与X离子在一起，并在理想的情况下，组成一个完美的立方晶格结构。三维钙钛矿材料是一种直接带隙半导体，其具有较高的光吸收效率、可调的光谱吸收边、较高的载流子迁移率、较长的电荷扩散距离、较强的光致发光谱和极低的非辐射电荷复合率等优点。这使其在各种光电器件中都具有很大的应用潜力。通常情况下都是将卤化物钙钛矿制成多晶薄膜覆于不同衬底上制作光电器件。最近，具有极少晶界和极低陷阱密度的块体钙钛矿单晶和低维纳米结构钙钛矿晶体横空出世。此外，具有良好抗湿性能的二维Ruddlesden-Popper层状钙钛矿也在光电器件中得到了应用。二维层状卤化物钙钛矿材料具有以下化学通式：(RNH3)2(CH3NH3BX3)n-1BX4，其中，R为长链的烷基或芳香基团，n为处于两层有机链间的金属离子层的数目。不同的钙钛矿材料具有不同的特性。 此外，许多传统的二维材料也具备出色的光学、电学、热学、机械和催化特性。这些二维材料包括石墨烯及其衍生物、过渡金属硫化物（TMDs）和石墨炔等。它们独特的二维结构使得其很容易处理或组装成统一的构型，并且可以形成具有高度取向的柔性超薄膜微结构。因此，近年来二维材料广泛应用在光电器件中的功能层。然而，截至目前，关于二维材料在卤化物钙钛矿基光电器件中的应用这一领域还没有进行广泛系统的总结。 2. 二维材料在卤化物钙钛矿基光探测器中的应用 光探测器是利用电子过程探测光信号的一种半导体器件。它们在成像系统、环境监测、光学通信和生物传感领域扮演着重要的角色。一般来说，光探测器的工作包含三个过程：1）由入射光产生电荷载流子；2）电荷载流子的输运或/和增加；3）载流子电荷的输出产生电流信号。评估光探测器的主要指标如下：光灵敏度、外量子效率、光电导增益、光/暗电流比和响应时间。除此之外，其他比较重要的指标还有敏感度相关的比探测率、噪声等效功率和线性动态范围。下面就对二维材料在卤化物钙钛矿基光探测器中的应用作一叙述。 2.1传统二维材料/卤化物钙钛矿多晶混合光探测器 卤化物钙钛矿多晶薄膜（PFs）可以通过低温和溶液旋涂、喷射和刀片涂覆等方法制备，并可以在不同衬底上形成大面积的薄膜。卤化物钙钛矿多晶薄膜的质量也可以进一步通过加热处理、溶液热处理、环境控制或者溶剂工程来提高。然而，由于电荷的复合，所以这种薄膜的光响应较低。为了解决这一问题，可以将化学气相沉积（CVD）制备的高质量石墨烯层作为MAPbI3-PF光吸收体的衬底，由此得到的光探测器具备较高的光响应、外量子效率、光探测率和较宽的响应频谱，如图3所示。 石墨烯/钙钛矿混合光探测器由于石墨烯的零带隙，因此具有较高的暗电流，这降低了其光/暗电流比、光探测率和噪声等效功率。诸如WS2的过渡金属硫化物（TMDs）具备带隙可调、载流子迁移率高、较好的能带排列的优点，因此可以用来抑制混合光探测器的暗电流，如图4所示。此外，卤化物钙钛矿薄膜的形貌也在光电器件的性能方面扮演者重要的角色。如图5所示。 2.2石墨烯/卤化物钙钛矿纳米晶体混合光探测器 单晶卤化物钙钛矿没有晶界，并且具有很少的结构缺陷，相比薄膜，表现出了很高的载流子迁移率和更长的载流子寿命。据报道，利用溶液法生长的MAPbI3单晶的电子和空穴的扩散长度超过了175μm，比其薄膜高出三个数量级。卤化物钙钛矿的尺寸和维数对其独特光学和电学性能的影响至关重要。得益于各向异性的几何结构和小尺寸效应，一维钙钛矿纳米线表现出了有趣的光电子特性，其与石墨烯的结合也是提高器件性能的好办法。 2.3二维纳米结构的卤化物钙钛矿基光探测器 严格来说，相比于三维方向，二维材料的原子排列更有序，键的强度更强。然而，本文中讨论的二维材料不仅包括传统的二维材料（石墨烯及其衍生物、过渡金属硫化物等），还包括具有二维纳米结构的卤化物钙钛矿和二维Ruddlesden-Popper层状钙钛矿。进一步地，这些二维材料广泛包括了单层、多层、异质结构甚至厚度从一个原子到几十纳米的层状薄膜。近两年来，二维纳米结构的ABX3型卤化物钙钛矿已经通过包括化学气相沉积、一步溶液自组织法和胶体化学的方法制备出来。这些纳米结构钙钛矿材料表现出了很高的光致发光量子效率、量子限域和量子尺寸效应、较长的电子扩散长度，并且激子结合能较大，这些特点都使得它们在不同光电器件领域具备极大的应用潜力。 总得来说，相比于纯的钙钛矿光探测器，基于传统二维材料和钙钛矿薄膜或纳米结构晶体的结合通常都表现出了极好的性能。这主要是由于传统二维材料中较高的电荷迁移率，并且这促进了界面的电荷转移。二维纳米结构的钙钛矿具有独特的二维结构和较高的电荷迁移率。因此，与基于三维钙钛矿的光探测器相比，基于这些材料的光探测器表现出了更好的性能和更好的环境稳定性。 3. 二维材料在卤化物钙钛矿太阳能电池中的应用 太阳能电池可以将太阳能直接转化为电能。由于太阳能电池既可靠又安全，因此成为了替代化石燃料的最佳选择。与光探测器的工作原理类似，太阳能电池也牵涉到电荷载流子的产生和分离、载流子的输运和电极对载流子的收集。评价太阳能电池性能的重要参数有短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）、能量转换效率（PCE）和外量子效率（EQE）。 自从2009年Miyasaka等人首次报道了PCE为3.8%的卤化物钙钛矿太阳能电池（HPSC）以来，人们一直致力于提高太阳能电池的性能，并在成分控制、形貌、卤化物钙钛矿的结构、界面工程和器件的结构优化等方面进行了广泛的研究。截止目前，主要有四种固态器件结构：介观结构、介观平面双层结构、p-i-n平面结构和n-i-p平面结构。 【总结和展望】 卤化物钙钛矿材料具备的光学和电子特性驱动了其在光电器件（HPODs）中的快速发展。二维材料独特的结构和优异的性质使得其在HPODs中的应用极具潜力。传统的二维材料作为HPODs中的功能层也已经进行了广泛的研究。例如光电器件应用，它们可以作为电荷传输介质和光探测器的封装层，或者作为电极和太阳能电池的界面层。二维纳米结构的钙钛矿和二维Ruddlesden-Popper层状钙钛矿结合了传统二维材料和钙钛矿材料的优点，因此，它们可以在HPODs中作为高效的光活性材料。更重要的是，相比传统材料，结合了二维材料的HPODs可以通过更廉价和更简单的过程进行制作，并能进一步得到更好的性能。二维材料在卤化物钙钛矿基光探测器、太阳能电池和LED中拥有巨大的潜力。 （编辑：应用网_阳江站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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