Adv.Mater._天津大學(xué)Fei Zhang團(tuán)隊(duì)與NREL發(fā)表二維鈣鈦礦研究突破

更新時(shí)間：2024-06-06 點(diǎn)擊次數(shù)：1936

二維鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)多樣性和可調(diào)諧帶隙，在太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管和光電探測(cè)器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，與三維鈣鈦礦相比，二維鈣鈦礦的電荷傳輸效率較低，成為制約其性能提升的關(guān)鍵因素。

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的 Bryon W. Larson 和天津大學(xué)的 Fei Zhang 團(tuán)隊(duì)，在二維鈣鈦礦的電荷傳輸研究方面取得重大突破。他們發(fā)表在**《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)** 上的研究論文，對(duì)影響二維鈣鈦礦電荷傳輸?shù)年P(guān)鍵因素進(jìn)行了深入分析，并提出了多種提高電荷傳輸效率的策略。

該研究首先回顧了三維和二維金屬鹵化物鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并詳細(xì)闡述了影響電荷傳輸?shù)闹饕蛩兀?/span>A'-位有機(jī)間隔陽(yáng)離子、A-位陽(yáng)離子、B-位金屬陽(yáng)離子以及X-位鹵化物離子。論文還簡(jiǎn)要介紹了測(cè)試電荷傳輸特性的方法。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)各種因素進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)A'-位有機(jī)間隔陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)電荷傳輸效率有著顯著的影響。他們發(fā)現(xiàn)，使用具有較小空間位阻和較強(qiáng)電子接受能力的間隔陽(yáng)離子，可以有效地提高電荷傳輸效率。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，調(diào)整A-位陽(yáng)離子、B-位金屬陽(yáng)離子以及X-位鹵化物離子，也能夠改善電荷傳輸性能。例如，通過(guò)改變A-位陽(yáng)離子的類型，可以調(diào)節(jié)二維鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)，從而影響電荷傳輸路徑。

該研究提出的策略，有效地改善了二維鈣鈦礦材料的電荷傳輸性能，為開發(fā)高性能的二維鈣鈦礦器件提供了重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

論文的創(chuàng)新點(diǎn)和貢獻(xiàn)

該論文系統(tǒng)地分析了影響二維鈣鈦礦電荷傳輸效率的關(guān)鍵因素，并提出了多種提高電荷傳輸效率的策略，為二維鈣鈦礦器件的開發(fā)提供了重要的理論指導(dǎo)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)A'-位有機(jī)間隔陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)電荷傳輸效率有著顯著的影響，并提出了使用具有較小空間位阻和較強(qiáng)電子接受能力的間隔陽(yáng)離子的策略，有效地提高了電荷傳輸效率。

該論文對(duì)二維鈣鈦礦的電荷傳輸機(jī)制進(jìn)行了深入的探討，并為未來(lái)研究提供了新的方向和思路。

推薦設(shè)備
QE-R光伏/太陽(yáng)能電池量子效率測(cè)量解決方案

量子效率測(cè)量在研究中的重要作用

量子效率測(cè)量是評(píng)估材料性能和器件效率的關(guān)鍵手段。通過(guò)量子效率測(cè)量，研究人員能夠獲取關(guān)于激子解離效率、電荷收集效率、能量損失等關(guān)鍵信息，這些信息對(duì)于理解和優(yōu)化器件性能至關(guān)重要。

在顏河團(tuán)隊(duì)的研究中，量子效率測(cè)量扮演著至關(guān)重要的角色。研究人員通過(guò)測(cè)量PM6:PYFO-V和PM6:PYFO-T兩種體系的外部量子效率，發(fā)現(xiàn)PYFO-V的外部量子效率顯著提高。這表明PYFO-V在電荷分離和傳輸方面的優(yōu)勢(shì)，從而解釋了PM6:PYFO-V體系獲得更高效率的原因。

突破性的效率源于多方面的優(yōu)化及其他表征手段補(bǔ)充完善研究結(jié)果

除了量子效率測(cè)量，顏河團(tuán)隊(duì)還采用了一系列先進(jìn)的表征手段，例如掠入射廣角X射線散射(GIWAXS)、軟X射線共振散射(RSoXS)、時(shí)間解析熒光光譜(TRPL)、瞬態(tài)光電流(TPC)等，對(duì)材料和器件進(jìn)行深入研究。通過(guò)綜合分析這些數(shù)據(jù)，他們揭示了PM6:PYFO-V體系能夠獲得更高效率的原因，包括更快的電荷傳輸、更低的電荷復(fù)合率、更平衡的電子和空穴遷移率等。

二維鈣鈦礦材料的研究方向主要集中在以下幾個(gè)方面：

1. 提高電荷傳輸效率:這是二維鈣鈦礦材料研究的核心問(wèn)題之一。目前，研究人員主要通過(guò)以下方法來(lái)提高電荷傳輸效率：

2. 優(yōu)化材料結(jié)構(gòu):通過(guò)改變有機(jī)間隔陽(yáng)離子、無(wú)機(jī)層厚度、鹵素組成等，調(diào)節(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和形貌，提高電荷傳輸效率。

3. 引入界面修飾:在材料界面引入有機(jī)或無(wú)機(jī)材料，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)電荷分離和傳輸。

4. 摻雜工程:通過(guò)摻雜不同的元素或離子，調(diào)節(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度，改善電荷傳輸性能。

5. 增強(qiáng)穩(wěn)定性:二維鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性是其應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。研究人員主要通過(guò)以下方法來(lái)提高材料穩(wěn)定性：

6. 開發(fā)新型有機(jī)間隔陽(yáng)離子:使用具有較高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的有機(jī)間隔陽(yáng)離子，提高材料的抗分解性能。

7. 包覆工程:使用無(wú)機(jī)或有機(jī)材料包覆二維鈣鈦礦材料，防止其與環(huán)境中的水、氧氣等物質(zhì)接觸，提高其穩(wěn)定性。

8. 器件封裝技術(shù):開發(fā)高效的器件封裝技術(shù)，防止水分、氧氣等物質(zhì)進(jìn)入器件內(nèi)部，提高器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

9. 拓展應(yīng)用領(lǐng)域:二維鈣鈦礦材料具有的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)，使其在太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、光電探測(cè)器、激光器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。研究人員正在積極探索二維鈣鈦礦材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，開發(fā)更具優(yōu)勢(shì)的器件。

近年來(lái)，二維鈣鈦礦材料在太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管等領(lǐng)域取得了一定的效率突破：

1. 太陽(yáng)能電池:二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率已經(jīng)接近15%，展現(xiàn)出良好的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

2. 發(fā)光二極管:二維鈣鈦礦發(fā)光二極管具有更高的效率和更長(zhǎng)的壽命，在顯示、照明等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

盡管二維鈣鈦礦材料展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但也面臨著一些瓶頸限制：

1. 電荷傳輸效率:雖然研究人員已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但二維鈣鈦礦材料的電荷傳輸效率仍然低于三維鈣鈦礦材料。

2. 穩(wěn)定性:二維鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性仍然是一個(gè)重要問(wèn)題，特別是長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面仍需進(jìn)一步提高。

3. 成本:二維鈣鈦礦材料的制備成本較高，制約了其大規(guī)模應(yīng)用。

該研究成果對(duì)促進(jìn)二維鈣鈦礦材料的應(yīng)用具有重要意義，為開發(fā)高性能的太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管和光電探測(cè)器等器件提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。未來(lái)，可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高二維鈣鈦礦的電荷傳輸效率，實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的器件性能。

本文參數(shù)圖:

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