導(dǎo)讀

最近，美國杜克大學(xué)的材料科學(xué)家們開發(fā)出一種制造鈣鈦礦混合薄膜材料的新方法。對于制造這種薄膜來說，采用其他方法非常困難，甚至是不可能的。這項(xiàng)技術(shù)有望成為通往新一代太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器的大門。

背景

今天，讓我們先回顧一下以往多次介紹的鈣鈦礦（Perovskite）材料。它是一種性能優(yōu)異、用途廣泛的新型功能材料。鈣鈦礦材料結(jié)構(gòu)式一般為：ABX3，其中A為有機(jī)陽離子，B為金屬離子，X為鹵素基團(tuán)。該結(jié)構(gòu)中， 金屬B原子位于立方晶胞體心處，鹵素X原子位于立方體面心，有機(jī)陽離子A位于立方體頂點(diǎn)位置。

（圖片來源：參考資料【3】）

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有利于空穴的擴(kuò)散遷移，因此具備許多優(yōu)異的物理化學(xué)特性，例如：電催化性、吸光性等等。鈣鈦礦材料的應(yīng)用前景廣闊，特別適合基于光線的應(yīng)用領(lǐng)域，例如：光通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、太赫茲通信、太陽能電池等領(lǐng)域。

舉例來說，鈣鈦礦吸收光線和有效傳輸能量的能力，使之成為研究人員開發(fā)新型太陽能電池所選用的材料。目前，學(xué)術(shù)界對于鈣鈦礦太陽能電池投入了大量的研究，寄予的期望也很大。新型鈣鈦礦太陽能電池投入市場以及大規(guī)模應(yīng)用可謂指日可待，并有望引領(lǐng)未來太陽能電池市場的走向。

（圖片來源：AMOLF）

創(chuàng)新

毫無疑問，對于鈣鈦礦太陽能電池的大規(guī)模量產(chǎn)甚至商用來說，制造技術(shù)猶為關(guān)鍵。最近，美國杜克大學(xué)的材料科學(xué)家們開發(fā)出一種制造鈣鈦礦混合薄膜材料的新方法。對于制造這種薄膜來說，采用其他方法非常困難，甚至是不可能的。這項(xiàng)技術(shù)有望成為通往新一代太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器的大門。

在2017年12月22日的《ACS Energy Letters》期刊上，研究團(tuán)隊(duì)描述了他們的方法。

技術(shù)

如今，在太陽能領(lǐng)域最常使用的鈣鈦礦材料之一就是：甲基碘化鉛（MAPbI3），它的光電轉(zhuǎn)化率可以與現(xiàn)有最佳的商用太陽能面板相媲美。此外，它使用的材料也較少，厚度不到典型的硅基太陽能電池的百分之一。

甲基碘化鉛是少數(shù)可以使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)制造的鈣鈦礦之一，盡管它在可伸縮性和持久性方面，仍然存在問題。在復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)中，混合有機(jī)和無機(jī)分子非常難以做到，因此為了真正釋放鈣鈦礦的潛能，需要新的制造方案。有機(jī)成分特別容易受到損傷，但是對于混合材料有效地吸收和激發(fā)光線的能力來說非常關(guān)鍵。

杜克大學(xué)機(jī)械工程與材料科學(xué)專業(yè)教授 David Mitzi 表示：“甲基碘化鉛具有一種非常簡單的有機(jī)成分，它也是一種非常高性能的光線吸收器。如果我們能找到新的制造方法，構(gòu)建出更加復(fù)雜的分子組合，那么這將為多功能材料開辟出新的化學(xué)領(lǐng)域。”

在這項(xiàng)新研究中，Mitzi 的團(tuán)隊(duì)與杜克大學(xué)計(jì)算機(jī)工程和電氣系副教授 Adrienne Stiff-Roberts 一起合作，演示了符合上述要求的新制造方法。這項(xiàng)技術(shù)稱為“共振紅外基質(zhì)輔助脈沖激光蒸發(fā)”（Resonant Infrared Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation），簡稱“RIR-MAPLE”。過去十年來，它一直由Stiff-Roberts在杜克大學(xué)開發(fā)。

這項(xiàng)技術(shù)是在1999年發(fā)明的一項(xiàng)稱為“MAPLE”的技術(shù)基礎(chǔ)上改造而來，它包括：冷凍含有鈣鈦礦分子構(gòu)建模塊的溶液，然后在真空室中使用激光照射這種冷凍的模塊。

（圖片來源：E. Tomas Barraza）

當(dāng)激光使得如同高爾夫球上凹坑大小的一小片冷凍目標(biāo)蒸發(fā)時(shí)，蒸汽通過羽流向上輸送，羽流會(huì)覆蓋到任何懸在上方的物體的底部表面，例如太陽能電池。一旦足夠的材料生產(chǎn)出來，這個(gè)過程就會(huì)停止，而且產(chǎn)品被加熱后使得分子結(jié)晶，將薄膜安置到適當(dāng)位置。

（圖片來源：E. Tomas Barraza）

在 Stiff-Roberts 的技術(shù)版本中，根據(jù)冷凍溶劑的分子鍵專門調(diào)諧激光頻率。這使得溶劑能夠吸收大部分的能量，讓容易受損的有機(jī)成分在運(yùn)輸?shù)疆a(chǎn)品表面的過程中不會(huì)受損。

Stiff-Roberts 表示：“對于材料的有機(jī)成分來說，RIR-MAPLE 技術(shù)顯得十分溫和，比其他基于激光的技術(shù)要好很多。這使得它更加高效，只需要少量有機(jī)材料就可以最終生產(chǎn)出同樣的產(chǎn)品。”

（圖片來源：E. Tomas Barraza）

盡管目前鈣鈦礦基太陽能電池目前還沒有上市，但是已經(jīng)有幾個(gè)公司正在致力于甲基碘化鉛和其他緊密相關(guān)的材料的商用。雖然，這項(xiàng)研究中制造出的材料相比于其他基于激光技術(shù)制造出的材料，制作成的太陽能電池效率更高，但是目前仍然達(dá)不到傳統(tǒng)基于溶液的工藝所能達(dá)到的水平。

但是，Mitzi 和 Stiff-Roberts 表示這并不是他們的最終目標(biāo)。

價(jià)值

Stiff-Roberts 表示：“雖然基于溶液的技術(shù)對于有機(jī)物同樣也可以很溫和，而且也能夠制造出一些很好的混合光伏材料，但是它們無法應(yīng)用于更加復(fù)雜和難以溶解的有機(jī)分子。”

Mitzi 表示：“通過這次的RIR-MAPLE技術(shù)演示，我們希望為太陽能電池工業(yè)使用的材料，開啟全新的世界。我們也認(rèn)為這些材料可以用于其他應(yīng)用，例如發(fā)光二極管、光電探測器和X光探測器。”

關(guān)鍵字

鈣鈦礦、太陽能、LED

參考資料

【1】http://pratt.duke.edu/news/maple-perovskites

【2】http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.7b01144

【3】Liu, M.Z., Johnston, M.B. and Snaith, H.J. (2013) Efficient Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by vaPour Deposition. Nature, 501, 395-398. https://doi.org/10.1038/nature12509