2004年石墨烯的突破,当时它是第一个同样的,揭示了2D材料的独特特性,并推动了2D材料研究的增长。这导致发现了许多新型的单层材料,例如苯苯丙烯,过渡金属二核苷(TMDS)和六核氮化物。这些材料由于其对电子应用的有希望的特性而引起了科学界社区中的巨大兴趣。tmds由于其多功能性和可调性,在包括催化,储能和光电子的各种应用中被证明具有吸引力。1尽管在许多情况下2D材料与其大容量相比具有增强的性质,但是有不足的方法可以控制纳米级结构,使2D材料的大规模可重复性差异很大,从而阻碍了它们进入我们的日常生活。2
摘要 卤化物钙钛矿太阳能电池 (PSC) 已成为下一代光伏技术中最有前途的技术之一,为提高效率、降低成本和快速扩展提供了途径。它们的独特属性——包括高吸收系数、可调带隙、缺陷容忍度和低温可加工性——使开发能够超越传统硅基技术的多功能太阳能设备成为可能。最近的突破推动钙钛矿太阳能电池的能量转换效率 (PCE) 在单结电池中超过 27%,在串联配置中超过 34%。然而,仍然存在重大挑战,特别是在长期稳定性、与铅含量有关的环境问题以及商业部署的可扩展性方面。这篇评论文章讨论了卤化物钙钛矿研究的现状,重点介绍了材料设计、设备架构和制造工艺方面的进步,这些进步推动 PSC 走在可再生能源技术的前沿。我们探索了钙钛矿光伏的潜在应用,从串联太阳能电池到柔性、建筑集成和便携式设备,以及它们在克服硅光伏局限性方面的作用。尽管钙钛矿太阳能电池前景光明,但在实现广泛商业化之前,它必须解决持续存在的挑战,例如现实条件下的稳定性和铅毒性。通过研究最近的进展和确定未来的研究方向,这篇评论文章全面展望了卤化物钙钛矿太阳能电池在塑造全球能源系统未来方面的作用。
金属卤化物钙钛矿已成为光电学中改变游戏规则的半导体材料。作为一种有效的微型/纳米制造技术,直接激光写作(DLW)已广泛用于佩洛维斯基特(Perovskites)制造模式,微/纳米结构和像素阵列,以促进其光电的应用。由于钙钛矿的独特离子特性和柔软的晶格,DLW可以引入丰富的光 - 单词相互作用,包括激光消融,结晶,离子迁移,相位分离,光反应和其他过渡,从而启用了植物性质的多样性功能。基于它们的图案结构,钙棍蛋白酶在显示器,光学信息加密,太阳能电池,发光二极管,激光器,光电探测器和平面透镜中都有许多应用,在本综述中对此进行了全面讨论。最后,我们讨论了这个迷人领域的未来发展必须解决的挑战。
Science Advances ,2020 ,6,eaaz5961;Nature Communications ,2017 ,8,14051;2020 ,11,4329;JACS,2018 ,140,13181-13184;2020 ,142,16001-16006;Angew.Chem.Int.Ed.,2017 ,56,9018-9022;2018 ,57,1021-1024;2020 ,59,14120-14123; 2020 ,59 ,23067-23071;2021 ,133 ,2515-2522;Advanced Materials,2016 ,28 ,305-311;2016 ,28 ,8983-8989 2018 ,30 ,1707093;ACS Energy Letters,2018 ,3 ,54-62;2018 ,3 ,1443-144 9;2019 ,4 ,1579-1583;Chemical Science,2017 ,8 ,8400- 8404;2018 ,9 ,586-593; ACS Materials Letters,2019,1,594-498;2020,2,376-380;2020,2,633-638;J. Phys。Chem.Lett.2018,9,2164-2169;2019,10,5836−5840;2019,10,5923−5928;2021,12,8229–8236;Materials Science & Engineering R,2019,137,38-65;Advanced Optical Materials,2019,7,1801474; 2020 ,9,2001766;材料化学,2018 ,30,2374-2378;2020 ,32,374-380
许多常见的晶体结构可以用单个(或极少数)重复的结构模式(“单态结构”)来描述,例如立方卤化物钙钛矿中的八面体。有趣的是,最近积累的证据表明,基于这种从 X 射线衍射获得的宏观平均单态立方(Pm-3m)卤化物钙钛矿的电子结构计算与实验结果存在有趣的偏差。这些偏差包括系统性地太小的带隙、由电子主导的介电常数、合金的负混合焓以及与测量的对分布函数的显著偏差。我们在此表明,通过密度泛函理论最小化系统 T = 0 内部能量会揭示不同低对称局部模式的分布,包括倾斜、旋转和 B 原子位移(“多态网络”)。只有当允许大于最小晶胞尺寸且不几何排除低对称模式时,才会发现这种情况。随着(超)晶胞尺寸的增加,能量相对于单晶胞会降低,在包含约 32 个公式单位(⩾ 160 个原子)后稳定下来。作为无熵内部能量的非热能最小化的结果,这组相关的位移必须代表底层化学键合(孤对键合)所偏好的固有几何形状,因此其起源与分子动力学建模的正常动态热无序不同。事实上,多晶网络,而不是单晶拟设,是高温热扰动发展的核心结构。新出现的物理图像是多晶网络具有高对称性的平均结构,但局部结构基序具有低对称性。我们发现,与单晶网络相比,多晶网络的预测总能量明显较低、带隙较大、介电常数以离子为主,并且与观察到的对分布函数更为吻合。类似的多态情况见于一些立方氧化物钙钛矿的顺电相中,其中局部极化在卤化物钙钛矿中起局部位移的作用;也见于一些 3 d 氧化物的顺磁相中,其中局部自旋配置起着作用。
近十年来,卤化物钙钛矿得到了广泛的研究,部分原因是钙钛矿基太阳能电池的能量转换效率得到了前所未有的快速提高。除了太阳能电池之外,基于钙钛矿的光电器件如光电探测器和发光器件也已展示出令人印象深刻的性能,这得益于大的吸收系数、可调的带隙、缺陷容忍度和长的载流子扩散长度。尽管这些领域已经取得了重大进展,但是包括长期稳定性和铅的毒性在内的一些挑战极大地限制了它们的商业化。人们已经付出了巨大的努力,从光物理的基本理解、材料工程和性能优化等方面来解决这些长期存在的问题。本期特刊以“卤化物钙钛矿:从材料到光电器件”为主题,包括一条评论、四篇综述和五篇原创研究文章,涵盖了所有提到的主题。在本期特刊中,熊等人。来自新加坡南洋理工大学的李建军等 [1] 深入评述了基于钙钛矿的激子极化玻色-爱因斯坦凝聚态的研究现状和未来的研究方向。Koleilat 等 [2] 详细总结了维度工程包括形态工程和分子工程如何影响它们的带隙、结合能和载流子迁移率,从而影响光电探测器和太阳能电池的性能。李等 [3] 综述了二维钙钛矿中自陷激子的研究进程,包括自陷激子的起源,如何检测和控制自陷激子以及自陷激子的存在如何影响钙钛矿基光电器件的性能。唐等 [4] 详细评述了自陷激子在钙钛矿中的研究进展,包括自陷激子的起源,如何检测和控制自陷激子以及自陷激子的存在如何影响钙钛矿基光电器件的性能。 [4] 收集了钙钛矿基发光二极管的外量子效率、亮度和稳定性状态等性能矩阵,向读者简要而全面地介绍了该领域。陈等 [5] 总结了下一代硅基串联太阳能电池的可能顶部电池,并进一步提出了有希望的候选顶部电池。梅等 [6] 通过一种简单的一步滴涂法探索了前体浓度如何影响可印刷无空穴导体介观钙钛矿太阳能电池的性能;游等 [7] 通过使用无掺杂聚合物聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)作为空穴传输层,研究了无机钙钛矿太阳能电池的性能和热稳定性。钟等[8] 采用刮刀涂布法制备宽带隙甲脒溴化铅薄膜,并研究表面活性剂种类对基于所制备薄膜的太阳能电池性能的影响。魏等。[9] 展示了如何通过复合工程制造高效的钙钛矿基发光二极管。Mu 等人 [10] 提出了一种电晕调制装置结构,以在电子束激发下实现钙钛矿量子点中的随机激光发射。本期特刊中出现的十篇文章仅涵盖了这个快速发展的钙钛矿社区最新进展的一小部分。我们希望本期特刊能为卤化物钙钛矿社区提供有用的参考,并激发这些研究领域的更多研究。
近年来簇化合物化学中所取得的主要进步主要与众多核性的许多低价羰基簇的结构有关,尤其是VIIII组金属的特征。1-lf金属羰基簇的形成少于过渡系列开始时元素的特征。簇化合物具有“经典”的酸性 - 卤素和葡萄糖剂等“经典”的酸 - 长期以来一直以这些金属的闻名,并且已经对其进行了彻底的研究。5“ 8与低价金属羰基簇相反,在带有“经典”配体的簇化合物中,金属原子具有较高的形式氧化态,因此这些化合物被分类为高价值簇。“*虽然过渡金属卤化物簇的第一代表早在本世纪初就获得了9个关于niobium,tantalum,tantalum,moleybdenum,tungsten和Rhenium Halide以及与各种配体的剧烈研究的剧烈研究。在过去的二十年中。5»6'8簇化合物的首次结构研究是根据六核钼簇进行的。1 0与卤化物配体的过渡系列开始时,金属的络合物的结构,群集组中的金属原子数量从2到6不等。
引导能量流和纳米晶体发色团混合组件中产生的激发态的性质对于实现它们的光催化和光电应用至关重要。通过结合稳态和时间分辨的吸收和光致发光 (PL) 实验,我们探测了 CsPbBr 3 -罗丹明 B (RhB) 混合组件中的激发态相互作用。PL 研究表明,CsPbBr 3 发射猝灭,同时 RhB 荧光增强,表明存在单线态能量转移机制。瞬态吸收光谱表明这种能量转移发生在 ~ 200 ps 的时间尺度上。为了了解能量转移是通过 Förster 还是 Dexter 机制发生的,我们利用简便的卤化物交换反应通过与氯化物合金化来调整供体 CsPbBr 3 的光学特性。这样,我们便可以调节供体 CsPb(Br 1-x Cl x ) 3 发射和受体 RhB 吸收之间的光谱重叠。对于 CsPbBr 3 - RhB,能量转移速率常数 (k ET ) 与 Förster 理论非常吻合,而与氯化物合金化以产生富含氯化物的 CsPb(Br 1-x Cl x ) 3 则更利于 Dexter 机制。这些结果凸显了优化供体和受体特性对于设计采用能量转移的光收集组件的重要性。通过纳米晶体供体的卤化物交换可以轻松调节光学特性,这为研究和定制钙钛矿发色团组件中的激发态相互作用提供了独特的平台。