導讀

最近，美國杜克大學的材料科學家們開發出一種制造鈣鈦礦混合薄膜材料的新方法。對于制造這種薄膜來說，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。它是一種性能優異、用途廣泛的新型功能材料。鈣鈦礦材料結構式一般為：ABX3，其中A為有機陽離子，B為金屬離子，X為鹵素基團。該結構中， 金屬B原子位于立方晶胞體心處，鹵素X原子位于立方體面心，有機陽離子A位于立方體頂點位置。

（圖片來源：參考資料【3】）

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

舉例來說，鈣鈦礦吸收光線和有效傳輸能量的能力，使之成為研究人員開發新型太陽能電池所選用的材料。目前，學術界對于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，并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，對于鈣鈦礦太陽能電池的大規模量產甚至商用來說，制造技術猶為關鍵。最近，美國杜克大學的材料科學家們開發出一種制造鈣鈦礦混合薄膜材料的新方法。對于制造這種薄膜來說，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現有最佳的商用太陽能面板相媲美。此外，它使用的材料也較少，厚度不到典型的硅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生產技術制造的鈣鈦礦之一，盡管它在可伸縮性和持久性方面，仍然存在問題。在復雜的晶體結構中，混合有機和無機分子非常難以做到，因此為了真正釋放鈣鈦礦的潛能，需要新的制造方案。有機成分特別容易受到損傷，但是對于混合材料有效地吸收和激發光線的能力來說非常關鍵。

杜克大學機械工程與材料科學專業教授 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。如果我們能找到新的制造方法，構建出更加復雜的分子組合，那么這將為多功能材料開辟出新的化學領域。”

在這項新研究中，Mitzi 的團隊與杜克大學計算機工程和電氣系副教授 Adrienne Stiff-Roberts 一起合作，演示了符合上述要求的新制造方法。這項技術稱為“共振紅外基質輔助脈沖激光蒸發”（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“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，然后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，羽流會覆蓋到任何懸在上方的物體的底部表面，例如太陽能電池。一旦足夠的材料生產出來，這個過程就會停止，而且產品被加熱后使得分子結晶，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品表面的過程中不會受損。

Stiff-Roberts 表示：“對于材料的有機成分來說，RIR-MAPLE 技術顯得十分溫和，比其他基于激光的技術要好很多。這使得它更加高效，只需要少量有機材料就可以最終生產出同樣的產品。”

（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，但是已經有幾個公司正在致力于甲基碘化鉛和其他緊密相關的材料的商用。雖然，這項研究中制造出的材料相比于其他基于激光技術制造出的材料，制作成的太陽能電池效率更高，但是目前仍然達不到傳統基于溶液的工藝所能達到的水平。

但是，Mitzi 和 Stiff-Roberts 表示這并不是他們的最終目標。

價值

Stiff-Roberts 表示：“雖然基于溶液的技術對于有機物同樣也可以很溫和，而且也能夠制造出一些很好的混合光伏材料，但是它們無法應用于更加復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，我們希望為太陽能電池工業使用的材料，開啟全新的世界。我們也認為這些材料可以用于其他應用，例如發光二極管、光電探測器和X光探測器。”

關鍵字

鈣鈦礦、太陽能、LED

參考資料

【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