導讀

最近，美國杜克大學的材料科學家們(men) 開發出一種製造鈣鈦礦混合薄膜材料的新方法。對於(yu) 製造這種薄膜來說，采用其他方法非常困難，甚至是不可能的。這項技術有望成為(wei) 通往新一代太陽能電池、發光二極管、光電探測器的大門。

背景

今天，讓我們(men) 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(you) 異、用途廣泛的新型功能材料。鈣鈦礦材料結構式一般為(wei) ：ABX3，其中A為(wei) 有機陽離子，B為(wei) 金屬離子，X為(wei) 鹵素基團。該結構中， 金屬B原子位於(yu) 立方晶胞體(ti) 心處，鹵素X原子位於(yu) 立方體(ti) 麵心，有機陽離子A位於(yu) 立方體(ti) 頂點位置。

（圖片來源：參考資料【3】）

鈣鈦礦結構穩定，有利於(yu) 空穴的擴散遷移，因此具備許多優(you) 異的物理化學特性，例如：電催化性、吸光性等等。鈣鈦礦材料的應用前景廣闊，特別適合基於(yu) 光線的應用領域，例如：光通信、數據存儲(chu) 、太赫茲(zi) 通信、太陽能電池等領域。

舉(ju) 例來說，鈣鈦礦吸收光線和有效傳(chuan) 輸能量的能力，使之成為(wei) 研究人員開發新型太陽能電池所選用的材料。目前，學術界對於(yu) 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模應用可謂指日可待，並有望引領未來太陽能電池市場的走向。

（圖片來源：AMOLF）

創新

毫無疑問，對於(yu) 鈣鈦礦太陽能電池的大規模量產(chan) 甚至商用來說，製造技術猶為(wei) 關(guan) 鍵。最近，美國杜克大學的材料科學家們(men) 開發出一種製造鈣鈦礦混合薄膜材料的新方法。對於(yu) 製造這種薄膜來說，采用其他方法非常困難，甚至是不可能的。這項技術有望成為(wei) 通往新一代太陽能電池、發光二極管、光電探測器的大門。

在2017年12月22日的《ACS Energy Letters》期刊上，研究團隊描述了他們(men) 的方法。

技術

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

甲基碘化鉛是少數可以使用標準工業(ye) 生產(chan) 技術製造的鈣鈦礦之一，盡管它在可伸縮性和持久性方麵，仍然存在問題。在複雜的晶體(ti) 結構中，混合有機和無機分子非常難以做到，因此為(wei) 了真正釋放鈣鈦礦的潛能，需要新的製造方案。有機成分特別容易受到損傷(shang) ，但是對於(yu) 混合材料有效地吸收和激發光線的能力來說非常關(guan) 鍵。

杜克大學機械工程與(yu) 材料科學專(zhuan) 業(ye) 教授 David Mitzi 表示：“甲基碘化鉛具有一種非常簡單的有機成分，它也是一種非常高性能的光線吸收器。如果我們(men) 能找到新的製造方法，構建出更加複雜的分子組合，那麽(me) 這將為(wei) 多功能材料開辟出新的化學領域。”

在這項新研究中，Mitzi 的團隊與(yu) 杜克大學計算機工程和電氣係副教授 Adrienne Stiff-Roberts 一起合作，演示了符合上述要求的新製造方法。這項技術稱為(wei) “共振紅外基質輔助脈衝(chong) 激光蒸發”（Resonant Infrared Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation），簡稱“RIR-MAPLE”。過去十年來，它一直由Stiff-Roberts在杜克大學開發。

這項技術是在1999年發明的一項稱為(wei) “MAPLE”的技術基礎上改造而來，它包括：冷凍含有鈣鈦礦分子構建模塊的溶液，然後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）

當激光使得如同高爾夫球上凹坑大小的一小片冷凍目標蒸發時，蒸汽通過羽流向上輸送，羽流會(hui) 覆蓋到任何懸在上方的物體(ti) 的底部表麵，例如太陽能電池。一旦足夠的材料生產(chan) 出來，這個(ge) 過程就會(hui) 停止，而且產(chan) 品被加熱後使得分子結晶，將薄膜安置到適當位置。

（圖片來源：E. Tomas Barraza）

在 Stiff-Roberts 的技術版本中，根據冷凍溶劑的分子鍵專(zhuan) 門調諧激光頻率。這使得溶劑能夠吸收大部分的能量，讓容易受損的有機成分在運輸到產(chan) 品表麵的過程中不會(hui) 受損。

Stiff-Roberts 表示：“對於(yu) 材料的有機成分來說，RIR-MAPLE 技術顯得十分溫和，比其他基於(yu) 激光的技術要好很多。這使得它更加高效，隻需要少量有機材料就可以最終生產(chan) 出同樣的產(chan) 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，但是已經有幾個(ge) 公司正在致力於(yu) 甲基碘化鉛和其他緊密相關(guan) 的材料的商用。雖然，這項研究中製造出的材料相比於(yu) 其他基於(yu) 激光技術製造出的材料，製作成的太陽能電池效率更高，但是目前仍然達不到傳(chuan) 統基於(yu) 溶液的工藝所能達到的水平。

但是，Mitzi 和 Stiff-Roberts 表示這並不是他們(men) 的最終目標。

價(jia) 值

Stiff-Roberts 表示：“雖然基於(yu) 溶液的技術對於(yu) 有機物同樣也可以很溫和，而且也能夠製造出一些很好的混合光伏材料，但是它們(men) 無法應用於(yu) 更加複雜和難以溶解的有機分子。”

Mitzi 表示：“通過這次的RIR-MAPLE技術演示，我們(men) 希望為(wei) 太陽能電池工業(ye) 使用的材料，開啟全新的世界。我們(men) 也認為(wei) 這些材料可以用於(yu) 其他應用，例如發光二極管、光電探測器和X光探測器。”

關(guan) 鍵字

鈣鈦礦、太陽能、LED

參考資料

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

【2】https://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