1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 研之成理

高压能“压”窄卤素钙钛矿带隙?还能增强荧光?

高压能“压”窄卤素钙钛矿带隙?还能增强荧光?

第一作者:张龙

通讯作者:邹勃 教授 王凯 副教授

通讯单位:吉林大学

研究背景

A    高效能源新材料金属卤素钙钛矿

金属卤素钙钛矿作为一类新型的半导体材料具有许多优异的光电特性:可调的带隙宽度、高效光捕获能力、宽吸收光谱、高光致荧光量子效率等,因而获得了广泛的研究兴趣,在光伏、LED等领域具有潜在的应用前景。短短的几年内,钙钛矿太阳能电池的能量转化效率从最初的3.8%快速地增加到了当前的23.2%(图1

),已经成为当今薄膜光伏技术领域最具竞争力的新一代太阳能电池材料。

高压能“压”窄卤素钙钛矿带隙?还能增强荧光?

图1

B    新性质、新规律高压科学

压力是独立于温度、化学组分的物理学参量,可以非常有效地使原子间距离缩短、相邻电子的轨道重叠增加,进而改变物质的晶体结构、电子结构和分子间相互作用,使材料达到高压平衡态,形成全新的物质状态。近年来,通过对金属卤化物钙钛矿材料进行高压研究,已证实体积压缩可以有效地调控其晶体结构和电子状态,同时还能够发现新奇的结构和性质,为合成常规条件无法得到的新型功能材料提供了重要源泉。邹勃教授课题组长期从事高压化学和高压物理的研究,在压力诱导荧光增强(PIEE)和高压相截获的研究中取得了系列重要的发现。

C    研究的出发点

目前,高效率的钙钛矿太阳能电池中的光子吸收层普遍含有铅,这类材料的毒性和不稳定性成为制约钙钛矿太阳能电池商业化的关键问题。最近研究发现,把低毒性、高稳定性的零维全无机钙钛矿Cs3Bi2I9 用于光子吸收层,可成为铅基钙钛矿材料的潜在的替代者。但是该材料亚优化的带隙(常压下 Eg=2.3 eV)和低的电子传输性导致了其较低的光电转换效率。基于以上面临的瓶颈和高压实验技术的优势,我们对Cs3Bi2I9 体系进行高压光学、电学、结构和理论计算研究,发现通过晶格收缩减小原子间的距离,从而窄化带隙和提高导电性,在较低压力下实现了金属化的转变。

结果与讨论

首先,我们研究了Cs3Bi2I9 的高压光致发光性质(图 2)。零维结构的Cs3Bi2I9在较低的压力下(<1 GPa)表现出了显著的荧光增强,其荧光强度大约增加了十倍。压力诱导荧光增强(PIEE)现象是十分罕见的,在前期的高压金属卤素钙钛矿研究中还未曾报道过。常压下,较弱的荧光,源于孤立的[Bi2I9]3-双八面体内的激子发射。晶格收缩导致激子束缚能增加,从而可以大大地提高荧光强度。

               

高压能“压”窄卤素钙钛矿带隙?还能增强荧光?

                  图2

高压下,Cs3Bi2I9的带隙持续地窄化,最终达到了Shckley-Queisser理论要求的优化值(1.34 eV),从而对应着更宽的光子吸收范围(图3)。明显的压致变色也体现出了材料电子结构的变化,从最初的透明的红色转变为不透明的黑色。这一结果证实了压力对这种材料具有很强的带隙调控性。

高压能“压”窄卤素钙钛矿带隙?还能增强荧光?

图3

在高压电学研究中,我们发现电阻随着压力的增加持续减小,这表明压力提高了电子传输性和[Bi2I9]3-双八面体间连通性。我们发现Cs3Bi2I9在大约28 GPa发生了金属化相变,表明了这种材料在高压下具有全新的电子传输性质,为解决低维钙钛矿材料的宽带隙、低电子传输性难题提供了新的思路和视野。

高压能“压”窄卤素钙钛矿带隙?还能增强荧光?

图4

结论与展望

   我们通过高压技术调控了低维金属卤化物钙钛矿的光学和电学性质,实现了荧光增强和带隙窄化。这一研究结果扩展了人们对低维钙钛矿材料的认识,为设计和开发高性能的无铅金属卤化物钙钛矿光伏材料提供了一种新的思路。

文章发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201804310,第一作者为吉林大学超硬材料国家重点实验室博士生张龙,通讯作者为王凯副教授和邹勃教授。本工作得到了国家杰出青年科学基金、教育部长江学者奖励计划和国家自然科学面上基金等项目的资助。

课题组简介:

邹勃,吉林大学教授、博士生导师,教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向为高压化学和高压物理。已在JACS、Angew Chem等国际刊物上发表260余篇论文。 

 王凯,吉林大学副教授。主要研究方向为高压化学和高压物理。已在JACS、Angew Chem等国际刊物上发表100余篇论文。

 

课题组主页:http://teachers.jlu.edu.cn/zoubo

课题组主要从事高压物理和高压化学研究,利用自主设计搭建的高压原位吸收、发射、拉曼和红外光谱等多种高压原位光谱实验测量系统,建立了高压化学实验室。利用高压这个独特的热力学参量,调控化学反应动力学过程和分子间弱键的相互作用,改变化学反应动力学势垒、材料的精细结构和相变势垒,揭示了化学反应动力学、材料精细结构、电子结构以及相变途径的压力效应,成功实现了压力下的分子组装与解组装调制;发现了新型超大负压缩率材料、提出分子层滑移和“酒架状”非共价键结构等负压缩新机制;发现了系列高压相截获的方法,并成功应用在高能密度材料上;成功实现了压致变色材料光学特性的大范围精确调控,提出了压力诱导荧光增强(Pressure Induced Emission Enhancement)的概念,为制备具有特定功能的化学材料提供了新思路和新方法。

 

相关论文推荐:

1.  J. Am. Chem. Soc., 139, 10087-10094 (2017)

2. J. Am. Chem. Soc., 139, 15648-15651 (2017)

3. J. Am. Chem. Soc., 138, 12803-12812 (2016)

4. J. Am. Chem. Soc., 137, 10297-10303 (2015)

5. J. Am. Chem. Soc., 137, 931-939 (2015)

本文来自研之成理,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号研之成理

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code