無機(jī)-有機(jī)雜化鈣鈦礦單晶研究取得進(jìn)展
近日，清華大學(xué)化學(xué)系嚴(yán)清峰課題組與物理系孫家林課題組合作，在《Scientific Reports》上在線發(fā)表題為High-Performance Planar-Type Photodetector on (100) Facet of MAPbI3 Single Crystal的研究論文（L. Lian, et. al., Scientific Reports, 2015,5,16563; www.nature.com/articles/srep16563），論文第一作者為化學(xué)系博士生廉志鵬。
具有無機(jī)-有機(jī)雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的甲氨基鹵化鉛材料，有很高的光吸收系數(shù)、很長的載流子傳輸距離、極少的缺陷態(tài)密度等優(yōu)異性質(zhì)，成為優(yōu)異的光伏材料、激光材料和發(fā)光材料。目前，經(jīng)過NREL認(rèn)證的鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到20.1%，接近單晶硅太陽能電池的效率。同時(shí)，基于無機(jī)-有機(jī)雜化鈣鈦礦材料的激光和發(fā)光器件已研發(fā)成功，顯示出無機(jī)-有機(jī)雜化鈣鈦礦材料在光電領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。已有的報(bào)道大多是基于這類材料的多晶薄膜展開研究，而無機(jī)-有機(jī)雜化鈣鈦礦單晶具有更好的熱穩(wěn)定性、更寬的光吸收范圍以及較高的載流子遷移率，可以預(yù)期采用單晶制作的光電子器件將獲得更好的光電性能。同時(shí)，科學(xué)家對這類材料的微觀運(yùn)行機(jī)理尚有分歧，而基于單晶的研究最能揭示這類材料的本征工作機(jī)制。嚴(yán)清峰課題組采用緩冷法生長了尺寸超過1厘米的高質(zhì)量甲胺碘化鉛單晶，成為目前國際上少數(shù)幾個(gè)能夠生長大尺寸無機(jī)-有機(jī)雜化鈣鈦礦單晶的課題組之一。通過與物理系孫家林教授課題組合作，制備了首個(gè)基于甲胺碘化鉛單晶的平面結(jié)構(gòu)高性能光探測器，與同樣結(jié)構(gòu)的基于多晶材料的光探測器相比，器件表現(xiàn)出優(yōu)異的光電特性和穩(wěn)定性，響應(yīng)波長拓展到近紅外波段，響應(yīng)度以及外量子效率提高超過100倍，響應(yīng)速度提高超過1000倍。
光探測器主要分為光生伏特型和光電阻型，光電阻型光探測器具有結(jié)構(gòu)簡單、材料選擇范圍寬、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，但需要外加偏壓對其供電。為了解決這一問題，該課題組最近將摩擦電納米發(fā)電與甲胺碘化鉛單晶結(jié)合，制備了自供能的光電阻型光探測器，相關(guān)工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C上（2015, DOI: 10.1039/C5TC03342J）并被選為背封面論文，論文第一作者為化學(xué)系博士生方華靖。具有優(yōu)異性能的無機(jī)-有機(jī)雜化鈣鈦礦單晶的出現(xiàn)，有可能實(shí)現(xiàn)對多晶鈣鈦礦基光電子器件的革新，推動(dòng)光電器件的進(jìn)一步發(fā)展。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目及低維量子物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助。
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