钙钛矿：将在未来光通信中发挥重要作用！

导读

近日，中国南京大学、东南大学、深圳大学与瑞典林雪平大学的研究人员合作，展示了一种无机钙钛矿是如何被制作到便宜且高效的光电探测器中，这种光电探测器可以传输文字和音乐。

背景

钙钛矿（perovskite）材料，是一类与钛酸钙（CaTiO3）晶体结构相同的材料。它的形状是立方体或八面体，具有光泽，浅色到棕色。

1839年，德国矿物学家古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）在俄罗斯中部的乌拉尔山脉上发现了钙钛矿岩石样本，并以俄罗斯地质学家 Lev Perovski 的名字来命名这种矿石。

钙钛矿岩石（图片来源：维基百科）

不过，现代技术中使用的钙钛矿与地球地幔中发现的岩石却大相径庭。“钙钛矿结构”采用了不同原子的组合，却保持了矿物中最初观察到的普遍的三维结构。

钙钛矿材料结构式一般为ABX3。如下图所示：A为有机阳离子, B为金属离子, X为卤素基团。该结构中, 金属离子B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【2】）

相比于共棱、共面形式连接的晶体结构，钙钛矿结构更具稳定性, 以及强大的光线吸收能力和电荷传输能力。这种结构使得钙钛矿具备了许多特殊的物理化学特性，例如电催化性、吸光性等，从而带来了丰富多彩的应用，例如在太阳能电池、数据存储设备、可见光通信、太赫兹通信等方面。

接下来，带大家一起回顾一下笔者之前介绍过的几个有关钙钛矿的科研案例：

案例一：韩国蔚山国立科技研究所（UNIST）发明出一种制造无机-有机混合物钙钛矿太阳能电池的低成本方案，并创造了新的世界纪录：转换效率在小型电池中达22.1%，在1平方厘米的电池中达19.7%。这项技术的关键点在于，它能够修复“钙钛矿-卤化物”中的主要缺陷，这些缺陷会降低光电转换效率。

（图片来源：UNIST）

案例二：瑞士洛桑联邦理工学院的科学家开发出一种磁序可以被迅速改变的新型钙钛矿材料。它不会因为加热而受到破坏，使得存储系统例如硬盘，具有更高的密度和效率，同时也使得存储介质能被快速简便地操作，便于数据读写。这项创新研究有望为我们带来新一代存储设备。

（图片来源：László Forró/瑞士洛桑联邦理工学院 ）

案例三：沙特阿卜杜拉国王科技大学的研究人员，采用钙钛矿纳米晶体作为光颜色转化器，通过蓝色激光对其照射后发出的绿光，加上氮化物荧光体发出的红光，三种光混合成白光，不但可以有效地保证室内照明，而且使得可见光通信的带宽达到 2 Gbps。

（图片来源：阿卜杜拉国王科技大学）

案例四：美国犹他大学的研究人员发现了一种特殊的钙钛矿，由有机化合物和无机化合物的组合而成，可以分层地堆积在硅晶圆之上。这种材料可以用于制造未来太赫兹通信系统的关键组件。该系统将开启新一代的通信带宽，使用光取代电传输信息，速度高于现在千倍。

（图片来源：Dan Hixon / 犹他大学工程学院）

案例五：日本冲绳科学技术大学院大学的研究人员发表了两篇有关钙钛矿技术的科技论文。第一篇论文中，他们给太阳能电池又额外添加了一层，这一层由聚合物制成，可以防止氧化钛层和钙钛矿层之间的直接接触。这样并不会降低太阳能电池的效率，而且也有效地保护了钙钛矿结构。第二篇论文中，他们描述了首个由气体组装的钙钛矿LED灯，这一工艺称为化学气相沉积（CVD）。

（图片来源：美国化学会）

（图片来源：美国化学会）

创新

今天，让我们继续来看钙钛矿技术的新成果。

近日，中国南京大学、东南大学、深圳大学与瑞典林雪平大学的研究人员合作，展示了一种无机钙钛矿是如何被制作到便宜且高效的光电探测器中，这种光电探测器可以传输文字和音乐。

（图片来源：Thor Balkhed）

林雪平大学讲师 Feng Gao 、林雪平大学博士后研究员 Chunxiong Bao、以及深圳大学的科学家们，将这项研究成果发表在国际著名期刊《先进材料（Advanced Materials）》上。

技术

所有的光通信都需要高速且可靠的光电探测器材料，用于捕捉光信号，并将其转化为电信号。目前的光通信系统所采用的光电探测器，是由硅和铟镓砷化物等材料制成。但是，这些材料非常昂贵，部分原因是它们制造起来很复杂。更进一步地说，这些材料无法用于一些新设备，例如具有机械柔性的轻量设备，或者大面积设备。

多年来，研究人员一直在寻找廉价的替代材料，或者至少是作为补充的材料，例如研究了有机半导体。然而，这些材料的电荷输运被证实太慢。然而，光电探测器必须是快速的。

2009年以来，新型钙钛矿材料就引起了科研人员的极大兴趣，但是研究一直聚焦在太阳能电池和高效发光二极管上。2016年秋季，林雪平大学生物分子学与有机电子学专业的研究人员，获得了来自欧洲研究委员会的启动资助金，用于研究钙钛矿在发光二极管中的应用。

钙钛矿形成了一种全新的半导体材料家族，这些半导体材料由它们的晶体结构来定义。它们可以组成有机物和无机物，具有良好的发光特性，且易于制造。对于诸如发光二极管和高效太阳能电池之类的应用来说，由有机物（含有碳和氢）、金属、卤素（氟、氯、溴、碘）离子组成的钙钛矿引起了最大的关注。然而，当这种成分用于光电探测器时，却被证明非常不稳定。

在 Chunxiong Bao 采用了正确的材料，并优化了制造工艺与薄膜结构之后，结果却变得不同。这种新型钙钛矿薄膜，只含有无机元素（铯、铅、碘和溴），经过光通信系统中的测试，被证实具有快速且稳定地传输文字与图像的能力。在室温条件下经过2000小时后，这种能力仍然不会退化。

（图片来源：Thor Balkhed）

价值

Feng Gao 表示：“对于未来的高速光通信来说，这是一种非常有前景的材料。无机材料钙钛矿在影响光通信技术开发方面潜力巨大。这些材料具有非常短的响应时间，易于制造，极度稳定。我们已经实现了非常接近于应用的成果，这一点非常令人喜悦。”

（图片来源：Thor Balkhed）

关键字

光学、钙钛矿、光通信

参考资料

【1】https://liu.se/en/news-item/perovskiter-framtidens-material-for-optisk-kommunikation

【2】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

【3】https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201803422

我国学者合成新分子大幅提升钙钛矿电池稳定性

我国学者合成一种全碳基新型结构分子，用于制备“倒置钙钛矿电池”器件后，可在不牺牲器件效率的前提下，大幅度提升电池器件的稳定性。相关成果由西湖大学工学院王睿实验室联合浙江大学薛晶晶实验室完成，24日发表于国际学术期刊《自然》。

据介绍，典型的钙钛矿太阳能电池的结构共有五层，自电池表面到内部为：透明导电氧化物、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴选择接触层、金属电极。在“倒置钙钛矿电池”中，电子传输层和空穴选择接触层的位置发生对调。

“效率、稳定性，是评判钙钛矿电池‘表现’的两个最关键的维度。”论文通讯作者、西湖大学特聘研究员王睿表示，研究团队发现，“倒置钙钛矿电池”可以提升性能，但存在“休眠火山”式的缺陷，不够稳定，随时可能发生“故障”。这个问题和电池中空穴选择接触层的分子材料有关。

研究团队跳出目前分子设计的化学框架，合成了一种基于全碳基结构“芘核”的新型分子“Py3”，并基于这种分子开发出空穴选择接触层的新型结构。

研究人员表示，基于多项国际标准的老化测试显示，以新型分子“Py3”构筑的“倒置钙钛矿电池”器件具有优异的运行稳定性，使用寿命可超过10000小时，远超目前钙钛矿电池3000小时左右的使用寿命。

（记者 朱涵）

来源： 新华网

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