金属卤化物钙钛矿材料应用进展综述报告

本文由Lixiu Zhang、Luyao Mei、Kaiyang Wang等来自中国、瑞典、英国、香港等多个研究机构的学者共同撰写，发表于2023年7月的《Nano-Micro Letters》（卷15，文章号177）。这篇综述全面总结了金属卤化物钙钛矿（Metal Halide Perovskite, MHP）材料在光电器件和前沿技术中的应用进展，涵盖太阳能电池、发光二极管（LED）、光电探测器、激光器等传统领域，以及神经形态器件（人工突触与忆阻器）和压力诱导发光等新兴方向。

研究背景与目标

钙钛矿材料因其优异的光电特性（如高光吸收系数、长载流子扩散长度、高缺陷容忍度）和低成本溶液加工性，成为光伏领域的研究热点。自2009年Miyasaka首次将甲基铵碘化铅（MAPbI₃）用于染料敏化太阳能电池（效率3.8%）以来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）效率已飙升至26.0%，接近其理论极限（31.34%）。本文旨在系统梳理钙钛矿材料在多领域的应用现状，分析各领域的基础原理、当前进展与剩余挑战，为未来研究提供导航。

核心内容与论据

1. 钙钛矿太阳能电池（PSCs）

基础机制：PSCs基于p-i-n异质结结构，电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL）分别作为n型和p型半导体，钙钛矿层为本征层（i），形成内建电场。载流子动力学包括电荷生成、分离、传输、复合与收集。
材料进展：
- MAPbI₃：带隙1.57 eV，但热稳定性差（MA⁺易逃逸）。
- FAPbI₃：带隙1.43 eV（接近理想值1.34 eV），但需稳定α相。
- CsPbI₃：全无机材料，热稳定性优，但需抑制δ相转变。
器件结构：
- n-i-p型：介孔结构（如TiO₂/SnO₂-ETL）效率达25.8%；平面结构通过界面钝化（如Cl修饰SnO₂）提升性能。
- p-i-n型：采用NiOₓ等无机HTL，稳定性更优。
- 无电荷传输层（CTL-free）结构：简化工艺，效率仍可达21%。
挑战：非辐射复合损失、界面缺陷、规模化制备稳定性。

2. 钙钛矿发光二极管（PeLEDs）

进展：
- 效率：近红外（NIR）PeLEDs外量子效率（EQE）达28.9%，绿光/红光EQE超20%。
- 材料设计：通过维度调控（3D/2D/量子点）和卤素混合（Br/Cl/I）实现发射波长可调。
- 器件优化：
- 界面工程（如LiF修饰）减少非辐射复合。
- 光取出技术（如折射率调控、微腔结构）提升EQE至45.5%。
挑战：
- 蓝光器件：混合卤素（Br/Cl）相分离导致效率低下（EQE<15%）。
- 稳定性：离子迁移（如Br⁻空位）是主要退化机制，需分子钝化（如二苯基丙烯酰胺交联）延长寿命（T₅₀达32,675小时@3.2 mA/cm²）。

3. 神经形态器件与压力诱导发光

• 人工突触与忆阻器：利用钙钛矿的电阻开关特性模拟生物突触可塑性，如CsPbBr₃忆阻器实现长时程增强（LTP）。
  
• 压力诱导发光：钙钛矿在高压下发射增强，可用于防伪和信息存储，如(CsPbBr₃)ₙ团簇的压力响应发光。
  

研究价值与意义

1. 科学价值：系统总结了钙钛矿材料的多功能性，揭示了其光电特性与器件性能的构效关系。
   
2. 应用潜力：
   
   • PSCs效率接近商业化硅电池，简化结构（CTL-free）可降低成本。
     
   • PeLEDs的高色纯度适用于广色域显示，但需解决蓝光器件稳定性问题。
     
   • 神经形态器件为类脑计算提供新材料平台。
     
3. 未来方向：
   
   • 开发无铅钙钛矿（如Sn²⁺/Bi³⁺基）以减少毒性。
     
   • 探索钙钛矿在X射线/γ射线探测、自旋电子学等领域的应用。
     

亮点总结

1. 全面性：涵盖钙钛矿从传统光电器件到前沿技术的全领域应用。
   
2. 深度分析：每类应用均从基础原理、当前瓶颈到解决方案展开讨论。
   
3. 前瞻性：提出压力诱导发光等新兴方向，拓展材料应用边界。
   

（注：全文术语首次出现时标注英文，如“外量子效率（EQE, External Quantum Efficiency）”）