钙钛矿技术新进展：改善太阳能电池和LED应用！

导读

最近，日本冲绳科学技术大学院大学的研究人员发表了两篇科技论文，有关改善钙钛矿太阳能电池和制造新兴的钙钛矿基LED灯，让我们进一步领略了钙钛矿技术的巨大潜力。

关键字

钙钛矿、材料、LED

背景

钙钛矿，起初就是一种矿物，形状是立方体或八面体，具有光泽，浅色到棕色。

（图片来源：维基百科）

然而，现代技术中使用的钙钛矿和地球地幔中发现的岩石却大不相同。“钙钛矿结构”使用了不同原子的组合，却保持了矿物中最初观察到的普通的三维结构。

（图片来源：维基百科）

钙钛矿具有极佳的光电特性，例如强大的光线吸收能力以及有利于电荷传输。这些优点使得钙钛矿结构特别适用于电子器件，例如LED灯、光通信器件、数据存储设备、太阳能电池等。

创新

Yabing Qi 教授领导的日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）能源材料和表面科学部门，处于这项技术开发的最前沿。最近，他们发表了两篇科技论文，有关改善钙钛矿太阳能电池和制造新兴的钙钛矿基LED灯。

（图片来源：OIST）

技术

• 太阳能电池

过去几年以来，钙钛矿技术的加速发展显示，新型钙钛矿基器件将很快在领域领域超过现有技术的表现。钙钛矿基太阳能电池是一项有望取代目前主导整个行业的传统光伏电池的新兴技术。在仅仅七年开发的过程中，钙钛矿太阳能电池的效率就几乎提升至竞争对手（商用的光伏电池）的水准，而且预计很快就会超越。但是由于稳定性的问题，钙钛矿结构仍然受制于短寿命。

OIST 的科学家们已经在逐步提高电池稳定性，辨识出恶化因素，并且提供迈向更佳的太阳能电池架构的方案。发表于《Physical Chemistry B》杂志的一项新发现显示：太阳能电池组件之间的相互作用是器件快速恶化的主要因素。更准确一点，钛氧化物层通过太阳能提取电子，有效地生成电流，从而引起邻近的钙钛矿层不必要的恶化。将钙钛矿电池比作一个多层的总汇三明治：如果没有进行恰当的集成，新鲜多汁的蔬菜与面包相接触，几个小时内面包就会变得很潮湿。但是，如果你在蔬菜和面包之间添加一层火腿或者火鸡，那么你的三明治将在餐厅的冰箱中整天保持酥脆。

这正是OIST研究人员所取得的成果：他们给太阳能电池又额外添加了一层，这一层由聚合物制成，可以防止氧化钛层和钙钛矿层之间的直接接触。这个聚合物层是绝缘的，但是很薄。因此，电子可以穿过它，而不会降低太阳能电池的效率，同时也有效地保护了钙钛矿结构。

（图片来源：美国化学会）

Longbin Qiu 博士解释道：

“我们在钙钛矿层和氧化钛层之间，又增加了非常薄的一层，只有几个纳米的宽度，由聚苯乙烯组成。电子仍然可以穿过这个新的层，而且它不会影响电池吸收光线。我们通过这种方式，能够拓展电池的寿命至四倍，而不会损失能量转换效率。”

这种新型钙钛矿器件的寿命可以延伸至250小时，在稳定性方面，仍然不足以和商用光伏电池相竞争，但是朝着全功能化的钙钛矿太阳能电池迈出了重要的一步。

• LED制造工艺

钙钛矿结构的双极性电子特性不仅赋予它们太阳能发电的能力，而且也可以将电转化为明亮的光线。发光二极管（LED）技术，在我们生活中无处不在，从笔记本到智能屏幕，再到汽车车灯和天花灯，目前都依赖于制造难度大、成本高的半导体。

钙钛矿LED由于成本低，以及将能量转化为光线的效率高，有望在不久的未来成为新的行业标准。此外，通过改变钙钛矿结构中的原子组成，钙钛矿LED可以经过简单的调谐，发出特定颜色的光线。

目前，这些钙钛矿LED的制造工艺是基于用液体化学品浸渍或覆盖目标表面，这种工艺难以设置，受限于小面积和样本之间的低一致性。为了解决这一难题，OIST研究人员在《物理化学快报》期刊上发表了一篇论文，描述了首个由气体组装的钙钛矿LED，这一个工艺称为化学气相沉积（CVD）。

Yabing Qi 教授评论道：

“化学气相沉积已经与工业相兼容，所以原则上很容易使用这项技术制造LED。使用CVD的第二个优点就是与基于液体的技术相比，批次和批次之间的变化要小得多。最后一点是可扩展性：CVD能够在非常大的区域形成均匀的表面。”

和太阳能电池一样，钙钛矿LED也由许多协同工作的层组成。首先，铟锡氧化物玻璃片和聚合物层允许电子进入LED。然后利用CVD，钙钛矿层所需的化学物质（溴化铅和甲基溴化铵）相继绑定到样本上。CVD取代了传统的溶液涂覆工艺，将样本暴露于气体中，以转化成钙钛矿。在这个工艺中，钙钛矿层由纳米小晶粒组成，它们的尺寸对于器件效率起到了非常关键的作用。最终，最后一步包括沉积两个额外的层和金电极，从而形成一个完整的LED结构。在这个制造工艺中，LED甚至可以利用平板印刷技术，形成特殊的图案。

（图片来源：美国化学会）

Lingqiang Meng 博士解释道：

“因为大颗粒，LED表面粗糙，发光效率低。晶粒的尺寸越小，效率越高，光线越明亮。通过改变组装的温度，我们现在能够控制生长过程以及晶粒尺寸，以达到最佳效率。”

控制晶粒尺寸并不是这种LED灯组装技术的唯一挑战。

Luis K. Ono 博士称：

“钙钛矿很伟大，但是相邻层的选择也非常重要。为了达到高的光电转化率，每一层应该都与其它层和谐共处。”

研究成果是一个柔性的、厚的膜状的LED，且具有定制的图案。发光率或者亮度，目前能达到560 cd/m2，而传统的计算机显示屏可以发出100 到 1000 cd/m2，天花板荧光灯管差不多是 12,000 cd/m2 。

（图片来源：美国化学会）

Meng 博士总结道：

“我们下一步是将亮度提高到四倍或者更高。此外，我们已经实现了一种基于CVD的LED，它可以发出绿光。但是我们正在尝试用不同的钙钛矿组合来重复这一工艺，发出鲜艳的蓝光或者红光。”

价值

这些基于钙钛矿的技术进展，关系到这个能量循环：从太阳能电池吸收能量，到LED二极管点亮电子设备。相信随着研究的不断推进，我们将看到在能量存储、照明等领域，钙钛矿将发挥更大的作用。

参考资料

【1】https://www.oist.jp/news-center/news/2017/8/4/power-perovskite

【2】Leyden
M R, Meng L, Jiang Y, et al. Methylammonium Lead Bromide Perovskite
Light-Emitting Diodes by Chemical Vapor Deposition.[J]. Journal of
Physical Chemistry Letters, 2017, 8(14):3193. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b01093

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