近年來，以CH3NH3PbI3為代表的具有鈣鈦礦晶型的有機(jī)金屬鹵化物在光電領(lǐng)域的應(yīng)用吸引了廣泛的研究興趣。作為一種新興的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料，它具有高消光系數(shù)(105 cm-1)、長(zhǎng)載流子壽命(~μs)、低缺陷態(tài)濃度、低激子束縛能以及可低成本溶劑制備等諸多優(yōu)點(diǎn)。基于該類材料的薄膜太陽能電池(鈣鈦礦太陽能電池) 的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過22%，超過了多晶硅太陽能電池，具有較好的應(yīng)用前景。同時(shí)，該材料在光電探測(cè)、發(fā)光、高能射線探測(cè)及非線性光學(xué)等方面均展現(xiàn)出良好的性能，成為光電物理、材料(器件)物理和化學(xué)等交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。中國科研人員在高效無空穴傳輸材料器件、新材料的探索和應(yīng)用、材料制備的物理化學(xué)過程調(diào)控、大面積器件研發(fā)、器件穩(wěn)定性以及高效發(fā)光等方面均做出了積極的貢獻(xiàn)。

基于鈣鈦礦薄膜電池的研究現(xiàn)狀，中國科學(xué)院物理研究所孟慶波研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)近期以“Inorganic-organic halide perovskites for new photovoltaic technology”為題發(fā)表在《國家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review, 2017, https://doi.org/10.1093/nsr/nwx100）的論文，從鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)特征、材料制備技術(shù)以及關(guān)鍵物理特性等方面對(duì)該類材料和器件的發(fā)展進(jìn)行了綜述和探討。

該論文著重探討和總結(jié)了鈣鈦礦材料的半導(dǎo)體摻雜、結(jié)電場(chǎng)、缺陷態(tài)、離子遷移及其誘導(dǎo)的半導(dǎo)體性質(zhì)演化等關(guān)鍵物理特性。理論研究表明，三元鈣鈦礦材料的自摻雜(比如原子缺失、間隙和替位)可以誘導(dǎo)產(chǎn)生p型或n型載流子。目前，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)初步能夠通過控制薄膜沉積的物理化學(xué)過程實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦載流子類型的調(diào)控，比如：在兩步法中實(shí)現(xiàn)了甲胺鉛碘空穴濃度的控制。此外，通過雜原子摻雜也可以獲得異質(zhì)結(jié)電池所期望的p型載流子?；谠擃惒牧掀毡榇嬖诘膒型摻雜，在n-TiO2/鈣鈦礦吸光層/空穴傳輸層結(jié)構(gòu)的器件中可以觀測(cè)到存在于TiO2/鈣鈦礦吸光層間的單邊異質(zhì)結(jié)，且耗盡區(qū)主要分布于鈣鈦礦層內(nèi)。而鈣鈦礦吸光層/空穴傳輸層間并未觀測(cè)到結(jié)的存在。這表明鈣鈦礦電池更可能是一種單異質(zhì)結(jié)電池，而非傳統(tǒng)認(rèn)為的p-i-n型電池。關(guān)于該類材料的深缺陷態(tài)能級(jí)，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)采用了多種方法進(jìn)行測(cè)量，均表明這種低溫溶液法制備的鈣鈦礦薄膜材料的缺陷態(tài)濃度可以低至1015 cm-3，從而保證了長(zhǎng)的載流子壽命。最近，理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)量均發(fā)現(xiàn)該類材料內(nèi)顯著的離子遷移，而離子遷移會(huì)導(dǎo)致材料摻雜和缺陷態(tài)的重新分布，進(jìn)而影響器件的光電過程和穩(wěn)定性。

這些關(guān)鍵物理特性的理解對(duì)于鈣鈦礦器件性能的提升和新應(yīng)用的開發(fā)具有重要意義，同時(shí)也是正確評(píng)價(jià)和認(rèn)知鈣鈦礦器件核心問題的基礎(chǔ)。對(duì)于鈣鈦礦器件，較低的穩(wěn)定性是其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸之一，而物理性質(zhì)的穩(wěn)定性是其關(guān)鍵所在，值得深入關(guān)注。

來源：《國家科學(xué)評(píng)論》