钙钛矿型化合物研究进展

自从第一块约4%效率的钙钛矿型太阳能电池于2009年报道以来，钙钛矿型化合物研究进展迅速。《MRS快报》特别汇编了这一新兴领域的最新进展。

钙钛矿型化合物一个罕见特性的发现使得研究人员能够迅速生长出厘米级品质优良的单晶材料。当温度升高时，盐一般会更多地溶解于溶剂中。但一些研究小组发现，随着温度的上升钙钛矿型化合物在特定溶剂中的溶解度降低，从而导致在高温下溶液中晶体的形成。传统的生长方法需要几个星期的时间才能生长这么大的晶体，但是新的方法只需几个小时就可以得到成果了。这一发现可能促成具有优异性能的钙钛矿型单晶光电子器件。

瑞士联邦技术研究院洛桑分院 （Swiss Federal Instituteof Technology in Lausanne）的研究人员在 《科学报告》上报道了钙钛矿型化合物中的此类现象 （Scientific Reports，DOI:10.1038/srep11654）。Anders Hagfeldt领导的研究团队发现在溶剂 γ-丁内酯 （gamma γ-butyrolactone，GBL）中加热浓缩的碘化铵（methylammonium iodide）和碘化铅 （lead iodide）溶液 （摩尔比1∶1）到190℃，可以形成独立的甲基铵基碘化铅 （CH3NH3PbI3）钙钛矿型晶体。一旦晶体达到了理想的尺寸，研究人员则把它们从热溶液中取出，因为晶体在冷却后会溶解回溶液中。他们报道可以在25 min长出1mm长的晶体。

最初的报道之后，类似的进展由沙特阿卜杜拉国王科技 大 学（KingAbdullahUniversityofScienceand Technology，KAUST）的研究小组发表在 《自然通讯》（Nature Communications，DOI:10.1038/ncomms8586）上，然后陕西师范大学的研究人员也在 《先进材料》上报道（Advanced Materials，DOI:10.1002/adma.20150 2597）。阿卜杜拉国王科技大学Osman Bakr教授和他的同事们报道由N，N-二甲基甲酰胺 （N，N-dimethylformamide）溶剂结晶CH3NH3PbBr3以及由γ-丁内酯溶剂 （GBL）生成CH3NH3PbI3晶体。他们计算CH3NH3PbI3生长速度高达20mm3/h，CH3NH3PbBr3高达38mm3/h。而常规方案的生长只能提供最高1mm3/h的速度。同时，周洋、刘生忠及其在陕西师范大学的同事能够在12 h生长对角线长度为28mm的CH3NH3PbI3晶体，48 h则可以生长71mm（超过2.5英寸）的长度。

另一个令人兴奋的钙钛矿型化合物的应用来自两个独立的研究小组，他们使用此材料来制作低成本窄带光探测器，可选择性地检测可见光光谱范围内的特定颜色。用于成像、遥感和光通信的光电探测器通常是由半导体制成，比如硅。这些材料吸收宽泛的波长，为了感应特定的颜色，探测器使用昂贵的光学过滤器，因此需要复杂的光学设计与集成。为了制造免除滤波器的光电探测器，美国内布拉斯加大学林肯校区（University of Nebraska-Lincoln）的黄劲松教授和他的同事在常规的平面型二极管构造中采用了钙钛矿型单晶。他们利用了单卤化物以及混合卤化物钙钛矿结构，根据不同的钙钛矿结构成分，器件可以探测从红色到深蓝色的不同颜色的光。同时，澳大利亚昆士兰大学（Universityof Queensland）的Paul L.Burn等通过向混合卤化物钙钛矿结构薄膜中添加各种有机大分子制成红、绿、蓝光电二极管。这篇文章发表在 《自然光电》期刊 （Nature Photonics，DOI:10.1038/nphoton.2015.156和DOI:10.1038 /nphoton.2015.175）。

奥地利物理学家们用低成本的材料制造了超薄、轻质、高弹性的钙钛矿型太阳能电池，并用它们来给飞机模型供电。在 《自然材料》（DOI:10.1038/nmat4388）中报道的此太阳能电池可以应用在无人机、监控和安防方面。但若不进行沉重且昂贵的封装，钙钛矿型太阳能电池通常在空气中不稳定。奥地利林茨约翰开普勒大学 （Johannes Kepler University Linz）物理学家Martin Kaltenbrunner和他的同事们明智地选择了超薄、轻质材料组建了3μm厚，功率质量比高达23 W/g的太阳能电池阵列，能在正常环境条件下工作数天。制作此轻便设备，研究人员使用聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET）薄膜作为基板，在上面沉积了作为空穴收集电极的导电聚合物薄膜、钙钛矿结构光吸收层、有机电子传输材料、Cr2O3/Cr以及金属触点。Cr2O3/Cr中间层可防止钙钛矿结构与上部金属触点发生反应，从而保持装置在空气中的稳定性。

集成在一个模型飞机水平尾翼的超轻钙钛矿型太阳能电池板为螺旋桨直流电机供电。此太阳能电池板在环境光条件下产生75 MW能量，足够为28 cm长，翼展58 cm的飞机飞行提供电力。（来源:Martin Kaltenbrunner，约翰尼斯开普勒大学。）

通过向钙钛矿型基体嵌入硫化铅量子点 （lead sulfide quantum dots），加拿大多伦多大学 （University of Toronto）的Zhijun Ning等人创造了一个超高效、高辐射的混合晶体。量子点是重要的光电材料，已被用于增加太阳能电池和发光器件 （LED）的效率。钙钛矿结构优异的载流子输运性质和量子点的发光效率相结合产生一种具有高能量-光转换效率的材料，用于近红外发光二极管等光电器件。这种新的材料报道在 《自然》杂志 （DOI:10.1038/nature14563）。

（西北有色金属研究院信息所 朱宏康翻译自MRS Bulletin）