导读

最近，美国杜克大学的材料科学家们开发出一种制造钙钛矿混合薄膜材料的新方法。对于制造这种薄膜来说，采用其他方法非常困难，甚至是不可能的。这项技术有望成为通往新一代太阳能电池、发光二极管、光电探测器的大门。

背景

今天，让我们先回顾一下以往多次介绍的钙钛矿（Perovskite）材料。它是一种性能优异、用途广泛的新型功能材料。钙钛矿材料结构式一般为：ABX3，其中A为有机阳离子，B为金属离子，X为卤素基团。该结构中， 金属B原子位于立方晶胞体心处，卤素X原子位于立方体面心，有机阳离子A位于立方体顶点位置。

（图片来源：参考资料【3】）

钙钛矿结构稳定，有利于空穴的扩散迁移，因此具备许多优异的物理化学特性，例如：电催化性、吸光性等等。钙钛矿材料的应用前景广阔，特别适合基于光线的应用领域，例如：光通信、数据存储、太赫兹通信、太阳能电池等领域。

举例来说，钙钛矿吸收光线和有效传输能量的能力，使之成为研究人员开发新型太阳能电池所选用的材料。目前，学术界对于钙钛矿太阳能电池投入了大量的研究，寄予的期望也很大。新型钙钛矿太阳能电池投入市场以及大规模应用可谓指日可待，并有望引领未来太阳能电池市场的走向。

（图片来源：AMOLF）

创新

毫无疑问，对于钙钛矿太阳能电池的大规模量产甚至商用来说，制造技术犹为关键。最近，美国杜克大学的材料科学家们开发出一种制造钙钛矿混合薄膜材料的新方法。对于制造这种薄膜来说，采用其他方法非常困难，甚至是不可能的。这项技术有望成为通往新一代太阳能电池、发光二极管、光电探测器的大门。

在2017年12月22日的《ACS Energy Letters》期刊上，研究团队描述了他们的方法。

技术

如今，在太阳能领域最常使用的钙钛矿材料之一就是：甲基碘化铅（MAPbI3），它的光电转化率可以与现有最佳的商用太阳能面板相媲美。此外，它使用的材料也较少，厚度不到典型的硅基太阳能电池的百分之一。

甲基碘化铅是少数可以使用标准工业生产技术制造的钙钛矿之一，尽管它在可伸缩性和持久性方面，仍然存在问题。在复杂的晶体结构中，混合有机和无机分子非常难以做到，因此为了真正释放钙钛矿的潜能，需要新的制造方案。有机成分特别容易受到损伤，但是对于混合材料有效地吸收和激发光线的能力来说非常关键。

杜克大学机械工程与材料科学专业教授 David Mitzi 表示：“甲基碘化铅具有一种非常简单的有机成分，它也是一种非常高性能的光线吸收器。如果我们能找到新的制造方法，构建出更加复杂的分子组合，那么这将为多功能材料开辟出新的化学领域。”

在这项新研究中，Mitzi 的团队与杜克大学计算机工程和电气系副教授 Adrienne Stiff-Roberts 一起合作，演示了符合上述要求的新制造方法。这项技术称为“共振红外基质辅助脉冲激光蒸发”（Resonant Infrared Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation），简称“RIR-MAPLE”。过去十年来，它一直由Stiff-Roberts在杜克大学开发。

这项技术是在1999年发明的一项称为“MAPLE”的技术基础上改造而来，它包括：冷冻含有钙钛矿分子构建模块的溶液，然后在真空室中使用激光照射这种冷冻的模块。

（图片来源：E. Tomas Barraza）

当激光使得如同高尔夫球上凹坑大小的一小片冷冻目标蒸发时，蒸汽通过羽流向上输送，羽流会覆盖到任何悬在上方的物体的底部表面，例如太阳能电池。一旦足够的材料生产出来，这个过程就会停止，而且产品被加热后使得分子结晶，将薄膜安置到适当位置。

（图片来源：E. Tomas Barraza）

在 Stiff-Roberts 的技术版本中，根据冷冻溶剂的分子键专门调谐激光频率。这使得溶剂能够吸收大部分的能量，让容易受损的有机成分在运输到产品表面的过程中不会受损。

Stiff-Roberts 表示：“对于材料的有机成分来说，RIR-MAPLE 技术显得十分温和，比其他基于激光的技术要好很多。这使得它更加高效，只需要少量有机材料就可以最终生产出同样的产品。”

（图片来源：E. Tomas Barraza）

尽管目前钙钛矿基太阳能电池目前还没有上市，但是已经有几个公司正在致力于甲基碘化铅和其他紧密相关的材料的商用。虽然，这项研究中制造出的材料相比于其他基于激光技术制造出的材料，制作成的太阳能电池效率更高，但是目前仍然达不到传统基于溶液的工艺所能达到的水平。

但是，Mitzi 和 Stiff-Roberts 表示这并不是他们的最终目标。

价值

Stiff-Roberts 表示：“虽然基于溶液的技术对于有机物同样也可以很温和，而且也能够制造出一些很好的混合光伏材料，但是它们无法应用于更加复杂和难以溶解的有机分子。”

Mitzi 表示：“通过这次的RIR-MAPLE技术演示，我们希望为太阳能电池工业使用的材料，开启全新的世界。我们也认为这些材料可以用于其他应用，例如发光二极管、光电探测器和X光探测器。”

关键字

钙钛矿、太阳能、LED

参考资料

【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