鈣鈦礦技術新進展：改善太陽能電池和LED應用！

導讀

最近，日本沖繩科學技術大學院大學的研究人員發表了兩篇科技論文，有關改善鈣鈦礦太陽能電池和製造新興的鈣鈦礦基LED燈，讓我們進一步領略了鈣鈦礦技術的巨大潛力。

關鍵字

鈣鈦礦、材料、LED

背景

鈣鈦礦，起初就是一種礦物，形狀是立方體或八面體，具有光澤，淺色到棕色。

（圖片來源：維基百科）

然而，現代技術中使用的鈣鈦礦和地球地幔中發現的岩石卻大不相同。「鈣鈦礦結構」使用了不同原子的組合，卻保持了礦物中最初觀察到的普通的三維結構。

鈣鈦礦具有極佳的光電特性，例如強大的光線吸收能力以及有利於電荷傳輸。這些優點使得鈣鈦礦結構特別適用於電子器件，例如LED燈、光通信器件、數據存儲設備、太陽能電池等。

創新

Yabing Qi 教授領導的日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）能源材料和表面科學部門，處於這項技術開發的最前沿。最近，他們發表了兩篇科技論文，有關改善鈣鈦礦太陽能電池和製造新興的鈣鈦礦基LED燈。

（圖片來源：OIST）

技術

太陽能電池

過去幾年以來，鈣鈦礦技術的加速發展顯示，新型鈣鈦礦基器件將很快在領域領域超過現有技術的表現。鈣鈦礦基太陽能電池是一項有望取代目前主導整個行業的傳統光伏電池的新興技術。在僅僅七年開發的過程中，鈣鈦礦太陽能電池的效率就幾乎提升至競爭對手（商用的光伏電池）的水準，而且預計很快就會超越。但是由於穩定性的問題，鈣鈦礦結構仍然受制於短壽命。

OIST 的科學家們已經在逐步提高電池穩定性，辨識出惡化因素，並且提供邁向更佳的太陽能電池架構的方案。發表於《Physical Chemistry B》雜誌的一項新發現顯示：太陽能電池組件之間的相互作用是器件快速惡化的主要因素。更準確一點，鈦氧化物層通過太陽能提取電子，有效地生成電流，從而引起鄰近的鈣鈦礦層不必要的惡化。將鈣鈦礦電池比作一個多層的總匯三明治：如果沒有進行恰當的集成，新鮮多汁的蔬菜與麵包相接觸，幾個小時內面包就會變得很潮濕。但是，如果你在蔬菜和麵包之間添加一層火腿或者火雞，那麼你的三明治將在餐廳的冰箱中整天保持酥脆。

這正是OIST研究人員所取得的成果：他們給太陽能電池又額外添加了一層，這一層由聚合物製成，可以防止氧化鈦層和鈣鈦礦層之間的直接接觸。這個聚合物層是絕緣的，但是很薄。因此，電子可以穿過它，而不會降低太陽能電池的效率，同時也有效地保護了鈣鈦礦結構。

（圖片來源：美國化學會）

Longbin Qiu 博士解釋道：

「我們在鈣鈦礦層和氧化鈦層之間，又增加了非常薄的一層，只有幾個納米的寬度，由聚苯乙烯組成。電子仍然可以穿過這個新的層，而且它不會影響電池吸收光線。我們通過這種方式，能夠拓展電池的壽命至四倍，而不會損失能量轉換效率。」

這種新型鈣鈦礦器件的壽命可以延伸至250小時，在穩定性方面，仍然不足以和商用光伏電池相競爭，但是朝著全功能化的鈣鈦礦太陽能電池邁出了重要的一步。

LED製造工藝

鈣鈦礦結構的雙極性電子特性不僅賦予它們太陽能發電的能力，而且也可以將電轉化為明亮的光線。發光二極體（LED）技術，在我們生活中無處不在，從筆記本到智能屏幕，再到汽車車燈和天花燈，目前都依賴於製造難度大、成本高的半導體。

鈣鈦礦LED由於成本低，以及將能量轉化為光線的效率高，有望在不久的未來成為新的行業標準。此外，通過改變鈣鈦礦結構中的原子組成，鈣鈦礦LED可以經過簡單的調諧，發出特定顏色的光線。

目前，這些鈣鈦礦LED的製造工藝是基於用液體化學品浸漬或覆蓋目標表面，這種工藝難以設置，受限於小面積和樣本之間的低一致性。為了解決這一難題，OIST研究人員在《物理化學快報》期刊上發表了一篇論文，描述了首個由氣體組裝的鈣鈦礦LED，這一個工藝稱為化學氣相沉積（CVD）。

Yabing Qi 教授評論道：

「化學氣相沉積已經與工業相兼容，所以原則上很容易使用這項技術製造LED。使用CVD的第二個優點就是與基於液體的技術相比，批次和批次之間的變化要小得多。最後一點是可擴展性：CVD能夠在非常大的區域形成均勻的表面。」

和太陽能電池一樣，鈣鈦礦LED也由許多協同工作的層組成。首先，銦錫氧化物玻璃片和聚合物層允許電子進入LED。然後利用CVD，鈣鈦礦層所需的化學物質（溴化鉛和甲基溴化銨）相繼綁定到樣本上。CVD取代了傳統的溶液塗覆工藝，將樣本暴露於氣體中，以轉化成鈣鈦礦。在這個工藝中，鈣鈦礦層由納米小晶粒組成，它們的尺寸對於器件效率起到了非常關鍵的作用。最終，最後一步包括沉積兩個額外的層和金電極，從而形成一個完整的LED結構。在這個製造工藝中，LED甚至可以利用平板印刷技術，形成特殊的圖案。

（圖片來源：美國化學會）

Lingqiang Meng 博士解釋道：

「因為大顆粒，LED表面粗糙，發光效率低。晶粒的尺寸越小，效率越高，光線越明亮。通過改變組裝的溫度，我們現在能夠控制生長過程以及晶粒尺寸，以達到最佳效率。」

控制晶粒尺寸並不是這種LED燈組裝技術的唯一挑戰。

Luis K. Ono 博士稱：

「鈣鈦礦很偉大，但是相鄰層的選擇也非常重要。為了達到高的光電轉化率，每一層應該都與其它層和諧共處。」

研究成果是一個柔性的、厚的膜狀的LED，且具有定製的圖案。發光率或者亮度，目前能達到560 cd/m2，而傳統的計算機顯示屏可以發出100 到 1000 cd/m2，天花板熒光燈管差不多是 12,000 cd/m2 。

（圖片來源：美國化學會）

Meng 博士總結道：

「我們下一步是將亮度提高到四倍或者更高。此外，我們已經實現了一種基於CVD的LED，它可以發出綠光。但是我們正在嘗試用不同的鈣鈦礦組合來重複這一工藝，發出鮮艷的藍光或者紅光。」

價值

這些基於鈣鈦礦的技術進展，關係到這個能量循環：從太陽能電池吸收能量，到LED二極體點亮電子設備。相信隨著研究的不斷推進，我們將看到在能量存儲、照明等領域，鈣鈦礦將發揮更大的作用。

參考資料

【1】https://www.oist.jp/news-center/news/2017/8/4/power-perovskite

【2】Leyden M R, Meng L, Jiang Y, et al. Methylammonium Lead Bromide Perovskite Light-Emitting Diodes by Chemical Vapor Deposition.[J]. Journal of Physical Chemistry Letters, 2017, 8(14):3193. http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b01093

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