DOI: 10.1002/aenm.201902256
研究背景：
有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦材料由於具有寬光譜響應範圍、高消光係數、高載流子遷移率、長電子-空穴擴散距離以及相對簡單的製造工藝等優點，已經成為最熱門的半導體光電材料，被廣泛應用於太陽電池、發光二極管、光催化、光電探測器、X射線成像等。特別是在太陽電池領域上，最高認證效率已經達到25.2%。目前高效率的太陽電池基本都是採用平整光滑無孔洞的高質量鈣鈦礦薄膜。然而，這種傳統的鈣鈦礦薄膜形貌在光學性質和電荷傳輸性能上依然存在一定的劣勢，如光捕獲能力不足、反射率高以及通常電子與空穴需要傳輸幾百納米才能被收集、與其它功能材料界面接觸面積有限等。因此，要進一步突破光電轉化效率的理論極限，必須另闢蹊徑。相對於平整光滑無孔洞的鈣鈦礦薄膜，新興的具有特定紋理多孔形貌的鈣鈦礦薄膜顯示出更強的光捕獲能力和電荷收集能力，極具潛力進一步突破光電器件的理論效率極限。
本文亮點：
- 揭示了傳統鏡面光滑鈣鈦礦薄膜在光學和電學上的侷限性。
- 介紹了幾種新興紋理多孔鈣鈦礦形貌的結構特點、製備策略與形成機理。
- 總結了紋理多孔鈣鈦礦在光散射，載流子傳輸與平衡，以及鈍化缺陷等方面的優勢。
- 展望了紋理多孔鈣鈦礦薄膜在其它光電應用的巨大潛力。
內容簡介：
最近新興的具有紋理多孔形貌的鈣鈦礦薄膜為進一步提高光電器件的性能提供了新思路。目前，儘管基於傳統平滑的薄膜的鈣鈦礦器件已經獲得不錯的光電轉換效率，但是對光的捕獲效率不夠高，載流子容易發生複合等固有短板限制了效率的進一步提升。近日，中山大學團隊聯合澳大利亞昆士蘭大學團隊系統地總結了各種新興的具有紋理多孔形貌（如珊瑚狀、迷宮狀、柱狀或準核殼結構）的鈣鈦礦薄膜的結構特點和形成機理，揭示了其用於進一步提升太陽電池和發光二極管器件性能的獨特優勢，最後展望其在其它光電器件中的潛在新應用。相關研究成果以“The Rise of Textured Perovskite Morphology: Revolutionizing the Pathway toward High-Performance Optoelectronic Devices”為題發表在Adv. Energy Mater.上。該綜述旨在介紹新興的具有各種特異紋理形貌的鈣鈦礦薄膜，揭示其高效光捕獲和載流子傳輸的內在機理，並展望其在眾多光電器件的應用中大放光彩。
這篇研究進展綜述首先概述了幾種製備紋理多孔形貌鈣鈦礦薄膜的創新合成策略，包括結合基底誘導和吹氣法、溶解-再沉澱法、添加劑輔助法等得到底部緻密，頂部粗糙多孔的雙層結構鈣鈦礦薄膜。這種紋理鈣鈦礦形貌具有微納尺寸的多孔結構，可以有效散射入射光，增長光在鈣鈦礦薄膜內部的光程，展現出優異的光捕獲能力。此外，多孔骨架，有助於功能材料更好地滲入到鈣鈦礦層從而構建體相異質結，有利於界面載流子提取、平衡輸運以及實現缺陷鈍化。基於紋理形貌的鈣鈦礦太陽電池有望突破Shockley–Queisser的效率極限。在發光二極管的應用上，創造了21.6%的EQE效率記錄。最後，作者深入淺出地預言了此類紋理多孔形貌的鈣鈦礦薄膜將會在基於鈣鈦礦基的高效光電器件掀起一場新革命，指明其在半透明電池基智能窗戶、異質結電池、無電荷傳輸層電池以及鈣鈦礦基光催化領域的巨大應用潛力。
吳武強 (本文共同第一作者及通訊作者)
長期致力於新型半導體納米材料的合成，高性能光電器件設計、性能優化與相關機理研究。目前已在Chem. Soc.Rev.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem.Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.和Energy Environ. Sci.等期刊上發表SCI收錄論文50多篇，引用近3000次。
匡代彬 (本文通訊作者)中山大學化學學院教授，博士生導師，2011年入選教育部新世紀優秀人才支持計劃；2016年獲聘為廣東省“珠江學者”特聘教授；2016年入選廣東省百千萬工程領軍人才。課題組圍繞新能源材料與光電應用開展研究：主要從事無機光電材料的設計、合成與太陽能利用，包括鈣鈦礦太陽電池，光/光電催化分解水和光催化CO2還原等方面的應用基礎研究。團隊已在Nat. Commun.、J. Am. Chem.Soc、Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Mater.和EnergyEnviron. Sci.等國內外學術期刊上發表SCI收錄論文170多篇，被他人引用11000多次。
王連洲 (本文通訊作者)澳大利亞昆士蘭大學化工學院納米材料中心主任，澳大利亞基金委桂冠教授。主要從事半導體納米材料的合成及其在清潔能源轉化與存儲領域包括光催化制氫和新型太陽能電池等的應用。先後在NatureEnergy, Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew Chem等國際學術期刊發表論文400餘篇，論文被引用22000餘次。
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