近年來, 以CH 3NH 3PbI 3為代表的具有鈣鈦礦晶型的有機金屬鹵化物在光電領域的應用吸引了廣泛的研究興趣.
作為一種新興的半導體光電轉換材料, 它具有高消光係數(105 cm -1), 長載流子壽命(~μs), 低缺陷態濃度, 低激子束縛能以及可低成本溶劑製備等諸多優點. 基於該類材料的薄膜太陽能電池(鈣鈦礦太陽能電池) 的光電轉換效率已經超過22%, 超過了多晶矽太陽能電池, 具有較好的應用前景. 同時, 該材料在光電探測, 發光, 高能射線探測及非線性光學等方面均展現出良好的性能, 成為光電物理, 材料(器件)物理和化學等交叉領域的研究熱點. 中國科研人員在高效無空穴傳輸材料器件, 新材料的探索和應用, 材料製備的物理化學過程調控, 大面積器件研發, 器件穩定性以及高效發光等方面均做出了積極的貢獻.
基於鈣鈦礦薄膜電池的研究現狀, 中國科學院物理研究所孟慶波研究員領導的研究團隊近期以 'Inorganic-organic halide perovskites for new photovoltaic technology' 為題發表在《國家科學評論》 (National Science Review, 2017) 的論文, 從鈣鈦礦材料的結構特徵, 材料製備技術以及關鍵物理特性等方面對該類材料和器件的發展進行了綜述和探討.
該論文著重探討和總結了鈣鈦礦材料的半導體摻雜, 結電場, 缺陷態, 離子遷移及其誘導的半導體性質演化等關鍵物理特性. 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)可以誘導產生p型或n型載流子. 目前, 實驗上已經初步能夠通過控制薄膜沉積的物理化學過程實現對鈣鈦礦載流子類型的調控, 比如: 在兩步法中實現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結電池所期望的p型載流子. 基於該類材料普遍存在的p型摻雜, 在n-TiO2/鈣鈦礦吸光層/空穴傳輸層結構的器件中可以觀測到存在於TiO2/鈣鈦礦吸光層間的單邊異質結, 且耗盡區主要分佈於鈣鈦礦層內. 而鈣鈦礦吸光層/空穴傳輸層間並未觀測到結的存在. 這表明鈣鈦礦電池更可能是一種單異質結電池, 而非傳統認為的p-i-n型電池. 關於該類材料的深缺陷態能級, 實驗上已經採用了多種方法進行測量, 均表明這種低溫溶液法製備的鈣鈦礦薄膜材料的缺陷態濃度可以低至1015 cm-3, 從而保證了長的載流子壽命. 最近, 理論和實驗測量均發現該類材料內顯著的離子遷移, 而離子遷移會導致材料摻雜和缺陷態的重新分布, 進而影響器件的光電過程和穩定性.
這些關鍵物理特性的理解對於鈣鈦礦器件性能的提升和新應用的開發具有重要意義, 同時也是正確評價和認知鈣鈦礦器件核心問題的基礎. 對於鈣鈦礦器件, 較低的穩定性是其進一步發展的瓶頸之一, 而物理性質的穩定性是其關鍵所在, 值得深入關注.
