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高压下光电材料结构相变及物理性能

嘉峪检测网        2019-06-11 18:33

光电材料是指具有光能和电能相互转换功能的一类材料,包括光催化材料、发光材料以及光伏材料等。如何提高光电转换效率,降低制备成本,是光电材料获得广泛应用所面临的首要问题。

 

高压技术通过调控晶体结构和电子构型而改变材料的物理和化学性质。高压技术具有优异的稳定性和可控性,不仅可以研究晶体结构与物理性能的内在联系,还可以改变和控制材料的物理性能,因此在光伏器件领域有着巨大的应用潜力。

 

目前,高压技术在光电材料领域已有一定的应用研究,为了给相关研究人员提供参考,本文主要对高压下硫族化合物、钙钛矿型金属卤化物和金属氧化物等光电材料结构与物理性能变化的研究进展进行了概述。

 

硫族化合物光电材料

 

依据化学成分的不同,硫族化合物光电材料可分为两类:二元硫族化合物,如Ⅲ~Ⅵ族化合物、Ⅲ~Ⅴ族化合物等;多元硫族化合物,如CuInSe2、CuIn0.5Ga0.5Se2等。硫族化合物具有丰富的结构类型和良好的物理性能,是目前研究最为广泛的光电材料之一。此外,硫族化合物光电材料多为层状结构,相对于其他材料而言,其结构最易受到压力的影响。

 

1、二元硫族化合物

 

由于导电性是材料内部载流子浓度和迁移率共同作用的结果,因此高压技术可以作为调控硫族光电材料光电性能的开关,这为探索硫族光电材料的新物相和新物理性能提供了可行方法。

 

2、多元硫族化合物

 

在压力条件下材料晶格的扭曲或拉伸引起电子结构的变化,导致禁带的延伸。禁带宽度是决定材料光电性能的重要参数之一,通过高压诱导结构相变,可以使材料的禁带宽度接近光电材料的理想禁带宽度(约1.5eV)。

 

目前,对硫族光电材料的高压研究主要集中在结构相变上。

 

钙钛矿型金属卤化物光电材料

 

钙钛矿型金属卤化物光电材料具有通式AMX3,其中A是有机胺阳离子或碱金属离子,M通常为Pb2+或Sn2+,X为Cl-、Br-、I-或BF4-等。AMX3型钙钛矿结构由对顶点连接的MX6八面体骨架和穿插在骨架缝隙中的有机铵阳离子组成,该类化合物具有复杂的内建电场和优越的结构容忍度,可以通过置换A位阳离子、M位金属离子或卤化物阴离子等来调控其光电性能。由于具有较低的制备成本、较好的柔性力学性能和较高的光电转换效率,钙钛矿型金属卤化物已成为新型太阳能电池的备选材料,并因此受到了广泛关注。目前,钙钛矿型金属卤化物的高压研究主要集中在以下两种材料上。

 

1、钙钛矿型无机金属卤化物

 

钙钛矿型无机金属卤化物中的A位一般为碱金属离子,常见的无机金属卤化物为CsPbX3(X为Cl-、Br-、I-)。在室温下无惰性气体保护时,钙钛矿型无机金属卤化物具有比有机金属卤化物更高的稳定性,并且表现出优异的光致发光性能和较高的量子效率。

 

试验表明,高压技术不仅可以调节钙钛矿型无机金属卤化物的晶体结构,还可以改变其晶体形貌,从而有效调控材料的光学性能。

 

2、钙钛矿型有机金属卤化物

 

钙钛矿型有机金属卤化物的A位一般为有机胺阳离子,如CH3NH3+和NH2CHNH2+等,A位有机阳离子的尺寸决定了有机金属卤化物是以三维钙钛矿结构存在还是以低维形式存在。要得到稳定的三维钙钛矿型金属卤化物,MX6八面体网络应有足够的空间容纳A位阳离子;A位阳离子的尺寸对材料的禁带宽度有一定的影响,阳离子尺寸小则禁带宽度较低。M位金属离子一般为Pb2+或Sn2+,锡与铅同属于IV主族元素,具有相似的核外电子分布。ASnI3在室温下为赝立方结构(空间群为P4mm),比APbI3具有更高的结构对称性,禁带宽度比APbI3的低约0.3eV;二者均为直接带隙半导体,具有明显的吸收边。锡被认为是目前替代铅制备无铅钙钛矿型太阳能电池最具潜力的元素。X位一般为I-、Br-和Cl-,以及按一定比例混合的I-、Br-和Cl-,这可以提高钙钛矿型有机金属卤化物的光电性能。

 

利用高压技术可以制备新型功能材料并对其结构和性能进行有效调控。综合已有试验数据可知:钙钛矿型有机/无机金属卤化物的晶体结构和光电性能在压力的作用下均有明显的改变。对此类光电材料进行高压作用下的结构和性能演变研究不仅有助于进一步揭示钙钛矿体系的光伏机制,还可以为寻找性能更优异的新型光电材料提供理论指导和试验依据。

 

金属氧化物光电材料

 

金属氧化物光电材料具有良好的物理化学性能,且制备工艺简单,在光催化和太阳能电池等领域有着良好的应用前景。其中:二元金属氧化物(如TiO2、ZnO、SnO2、Ta2O5和GeO2等)由于具有优异的光催化性能和光电性能,已在环境保护和染料敏化太阳能电池领域得到了广泛研究;而铁电氧化物因具有较高的输出光生电压、良好的电场调控光伏性能等优点,在光伏电池、光驱动器和光传感器等领域应用较多。

 

相对于传统光伏材料,铁电氧化物光电材料具有以下优点:

(1)与传统光伏材料通过界面P-N结的内建电场不同,铁电极化电场能够有效降低光生电子与空穴的复合率,从而大大提升光伏材料的光电转换效率;

(2)传统光伏材料的P-N结开路电压一般都小于1V,而在具有特定电畴的铁电材料中,光生电压能够突破材料禁带宽度的限制;

(3)铁电材料的制备工艺简单,生产成本较低,更易实现大规模生产。

 

1、二元金属氧化物

 

作为一种非常重要的能源材料,TiO2的导电性不佳一直是制约其应用的主要因素之一。铌离子掺杂虽然可以在一定程度上改善TiO2的导电性,但该导电性还远未达到应用的要求。但通过一系列试验可以预测这种由压力诱导形成的非晶态纳米材料的光电性能将大大优于其常压晶态材料的或传统非晶态材料的。

 

2、铁电氧化物

 

目前,虽然对新型窄带隙铁电材料的探索和现有铁电材料光电性能的优化研究已有了许多重要成果,但铁电材料光电转换效率依然很低,这主要是由于缺乏有效手段对铁电材料的铁电性与导电性进行同步优化。铁电性(主要是极化强度)直接影响铁电材料的光电特性(光生电流和电压),剩余极化强度越大,光生电流和光电转换效率越高。但铁电材料的电阻率较高、导电性较差,这就导致载流子浓度和迁移率都很低,阻碍了铁电材料光电转换效率的进一步提升。

 

通过一系列试验可知,该压力诱导形成的铁电相材料是一种很有希望的新型铁电光伏材料,并且在光敏传感器上具有应用潜力。等静压技术可以调控铁电氧化物材料的晶体结构、铁电性能和光电性能,在设计和开发高性能铁电光伏材料方面有着巨大的应用空间。

 

结束语

 

迄今为止,由于存在光电转换效率低、制备成本高等问题,能够实际应用的光电材料较少。高压技术可以有效调控光电材料的晶体结构和物理性能,同时也是制备新型光电材料的重要方法。近年来,高压技术已得到广泛应用,且已得到许多独特的结果。

 

(1)高压技术能够有效调控硫族光电材料的禁带宽度和电导率,但尚未有该材料在高压下光电性能的研究报道;压力诱导相变是未来材料光电性能优化的一个研究方向。

 

(2)在压力诱导下,钙钛矿型金属卤化物光电材料发生重结晶和非晶化,导致光电性能的提高,但该高压诱导的结构相变大多是可逆的,如何稳定高压诱导形成的结晶相和非晶相是光电性能优化研究的主要方向。

 

(3)对铁电光电材料的高压研究尚处于起步阶段,但已有结果表明,高压技术在铁电光电材料的禁带宽度调控、导电性能优化、铁电极化以及光电性能提升方面有着较大的研究潜力。

 

(4)高压技术在新型光电材料的制备和光电性能调控上具有极大的发展潜力,是未来开发新型高效光电材料的新途径。

 

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来源:理化检验

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