第一章 钙钛矿晶体结构和晶体化学
秦善………………………………………………………………………… (1 )
第二章 杂化钙钛矿光伏材料
马英壮、孙伟海、张丹霏、肖立新……………………………………… (19 )
第三章 杂化钙钛矿的成膜方法与形貌控制
郑灵灵、肖立新…………………………………………………………… (41 )
第四章 杂化钙钛矿太阳能电池的电子传输体系
丁雄傑、黄子儒、魏世源、陈志坚……………………………………… (55 )
第五章 杂化钙钛矿太阳能电池的空穴传输体系
叶森云、郑灵灵、卞祖强、肖立新、黄春辉…………………………… (76 )
第六章 杂化钙钛矿太阳能电池的界面修饰及柔性器件
曲波、李英强……………………………………………………………… (99 )
第七章 杂化钙钛矿太阳能电池的结构优化
于潇、邹德春……………………………………………………………… (122)
第八章 杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素
孙伟海、张丹霏、肖立新………………………………………………… (143)
第九章 杂化钙钛矿材料的光物理过程
李渝、王伟、王树峰……………………………………………………… (166)
第十章 杂化钙钛矿在其他光电器件中的应用
吴朝新、彭鸣、邹德春…………………………………………………… (190)
展望(217)
序:一个有重要意义的机会
谢谢肖立新等同事,让我有机会先读了他们编著的这本书.最近几年,利
用杂化的有机金属卤化物钙钛矿材料(为简单起见,以后简写为HOP材料),
例如甲胺碘铅(CH3NH3PbI3),研制的太阳能电池成为科学界一个非常热门
的课题.北京大学一批同事积极参与了这方面的研究开发工作,也取得了不少
成果.这本书就是他们为有兴趣于这个领域的广大读者编写的,比较全面地反
映了这个领域的各个方面.我自己没有在有关研究中做过什么具体工作,在这
里是作为一个“先读者”和大家交流一下这样一个新出现的科技领域带给我们
的兴奋和期望.
半导体光生伏打效应(或简称光伏效应)是光照在半导体中产生电动势的
效应,其实可以分作两类:一类是发生在半导体体内的,一类是发生在半导
体的界面的.通常人们把前者叫做丹佛效应,说光伏效应时指的是后者.利用
光伏效应制成太阳能电池有很久的历史了.20世纪60年代,著名物理学家
Schokley从光伏物理过程的细致平衡分析出发,提出了半导体光伏太阳能电
池的效率极限的理论.现在的硅太阳能电池,效率接近25%,已相当接近
Schokley理论计算的极限了.这和集成电路一样,是对硅的物理和材料工艺技
术研究的一个成功范例.但是硅是非直接禁带半导体(硅的价带顶和导带底的
简约波矢不在布里渊区同一点),提炼以及加工硅材料和器件的能耗很大,环境
代价也较大,这使得人们希望能有更好的太阳能电池问世.利用HOP材料的太
阳能电池最近几年取得了惊人的成功,创造了实现这个愿望的一个新机会.
在利用HOP材料的太阳能电池中,HOP材料是吸收体,结合电子传输
体(简写为ETS)和空穴传输体(HTS)构成了nip电池结构.作为吸收体的
HOP材料,例如CH3NH3PbI3,现在已经证明是一个标准的直接禁带半导体
(它的价带顶和导带底的简约波矢在布里渊区边上同一点,但不是在原点),
带宽近于1.5eV,对太阳光谱中可见和近红外的部分都有相当强的吸收系数.
它的电子和空穴都有相当高的迁移率,有相当长的扩散长度.它的激子是典型
的Wannier-Mott激子,电离能不高,而且有较好的输运性.从各种角度看,
这样的材料做太阳能电池的吸收体都是相当理想的.更何况已经证明,这类
HOP材料还是铁电体.铁电半导体材料内部的光伏效应研究得还不够,它应
该可以产生突破Schokley理论的条件.2014年公布的数据说,利用甲胺碘铅
的太阳能电池效率已近于20%了.我们可不可以期望利用HOP材料的太阳能
电池会获得相当于或超过硅太阳能电池的结果呢?
现在这类利用HOP材料的nip电池结构中的ETS与HTS和传统的半导
体太阳能电池的界面有很大不同.例如常用TiO2 做ETS,众所周知TiO2 和
CH3NH3PbI3 的界面就有许多通常的半导体异质结界面没有的复杂性,至于
其他更复杂一些的ETS和HTS结构就更缺乏了解了.所以,人们都觉得,现
在的利用HOP材料的电池,其界面构造与最优化的构造还离得非常远,其实
我们连一个对问题相对正确的考虑原则都还没有呢! 人们在已经发表的实验
报告中看到的利用HOP 材料的电池结构中一系列特性上的“回滞”
(hysteresis)现象就是一个突出表现.可是这些问题也正是当代纳米科学技术
中的其他研究同样遇到过的.所以,可以得到比硅电池更高效率,寿命也较
长,耗能和环境代价低得多的利用HOP材料的电池的期望是有一定根据的,
而且,在探索这个问题中得到的知识可能会对其他学科领域起重要作用.
让人们更兴奋的是,这两年各方面的报告说明,HOP材料还可能是一种
非常好的光电子器件的材料.它们产生受激发射的阈值相当低,而且发光性能
也相当好.我们知道,像CH3NH3PbI3 这类的材料,是很大一类可以写作
(R-NH3)nMXm 的HOP材料(其中R 是一个有机分子团,M 是一个2价金
属,X是卤素原子)的一个n=1,m =3的例子.科学界在对光电子学的探索
中,从20世纪80年代起,就尝试做有机-无机的超晶格,而现在我们面对的
是可以叫做原子尺度上的有机-无机超晶格材料.根据现有的结果,从光电子
学应用的角度看HOP材料也是很让人乐观的.
读者们可以仔细看看这本书中收集的各方面情况.作为一个“先读者”,我
只是表达了对这样一个新的研究领域的兴奋和期望.半导体科学技术发展的历
史是随着它开拓的重大应用来描述的.有一种说法:以集成电路作为标志,把
硅叫做第一代半导体;以光通信为标志,把GaAs一类半导体合金叫做第二
代半导体;以半导体照明为标志,把GaN 一类半导体合金叫做第三代半导体.
我个人不是特别赞成这种叫法,但是如果仿效这样叫法,我们能不能期望,
将来人们以半导体太阳能电池为重大应用标志,而把HOP材料叫做第四代半
导体呢? 我希望阅读这本书,能够帮助读者在与HOP材料有关的基础科学和
应用科学研究开发上做出贡献.
中国科学院院士 甘子钊
北京大学物理系
2016年3月18日