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光電材料是指具有光能和電能相互轉(zhuǎn)換功能的一類材料，包括光催化材料、發(fā)光材料以及光伏材料等。如何提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低制備成本，是光電材料獲得廣泛應用所面臨的首要問題。

 

高壓技術通過調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)和電子構(gòu)型而改變材料的物理和化學性質(zhì)。高壓技術具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和可控性，不僅可以研究晶體結(jié)構(gòu)與物理性能的內(nèi)在聯(lián)系，還可以改變和控制材料的物理性能，因此在光伏器件領域有著巨大的應用潛力。

 

目前，高壓技術在光電材料領域已有一定的應用研究，為了給相關研究人員提供參考，本文主要對高壓下硫族化合物、鈣鈦礦型金屬鹵化物和金屬氧化物等光電材料結(jié)構(gòu)與物理性能變化的研究進展進行了概述。

 

硫族化合物光電材料

 

依據(jù)化學成分的不同，硫族化合物光電材料可分為兩類：二元硫族化合物，如Ⅲ~Ⅵ族化合物、Ⅲ~Ⅴ族化合物等；多元硫族化合物，如CuInSe2、CuIn0.5Ga0.5Se2等。硫族化合物具有豐富的結(jié)構(gòu)類型和良好的物理性能，是目前研究最為廣泛的光電材料之一。此外，硫族化合物光電材料多為層狀結(jié)構(gòu)，相對于其他材料而言，其結(jié)構(gòu)最易受到壓力的影響。

 

1、二元硫族化合物

 

由于導電性是材料內(nèi)部載流子濃度和遷移率共同作用的結(jié)果，因此高壓技術可以作為調(diào)控硫族光電材料光電性能的開關，這為探索硫族光電材料的新物相和新物理性能提供了可行方法。

 

2、多元硫族化合物

 

在壓力條件下材料晶格的扭曲或拉伸引起電子結(jié)構(gòu)的變化，導致禁帶的延伸。禁帶寬度是決定材料光電性能的重要參數(shù)之一，通過高壓誘導結(jié)構(gòu)相變，可以使材料的禁帶寬度接近光電材料的理想禁帶寬度(約1.5eV)。

 

目前，對硫族光電材料的高壓研究主要集中在結(jié)構(gòu)相變上。

 

鈣鈦礦型金屬鹵化物光電材料

 

鈣鈦礦型金屬鹵化物光電材料具有通式AMX3，其中A是有機胺陽離子或堿金屬離子，M通常為Pb2+或Sn2+，X為Cl-、Br-、I-或BF4-等。AMX3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)由對頂點連接的MX6八面體骨架和穿插在骨架縫隙中的有機銨陽離子組成，該類化合物具有復雜的內(nèi)建電場和優(yōu)越的結(jié)構(gòu)容忍度，可以通過置換A位陽離子、M位金屬離子或鹵化物陰離子等來調(diào)控其光電性能。由于具有較低的制備成本、較好的柔性力學性能和較高的光電轉(zhuǎn)換效率，鈣鈦礦型金屬鹵化物已成為新型太陽能電池的備選材料，并因此受到了廣泛關注。目前，鈣鈦礦型金屬鹵化物的高壓研究主要集中在以下兩種材料上。

 

1、鈣鈦礦型無機金屬鹵化物

 

鈣鈦礦型無機金屬鹵化物中的A位一般為堿金屬離子，常見的無機金屬鹵化物為CsPbX3(X為Cl-、Br-、I-)。在室溫下無惰性氣體保護時，鈣鈦礦型無機金屬鹵化物具有比有機金屬鹵化物更高的穩(wěn)定性，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的光致發(fā)光性能和較高的量子效率。

 

試驗表明，高壓技術不僅可以調(diào)節(jié)鈣鈦礦型無機金屬鹵化物的晶體結(jié)構(gòu)，還可以改變其晶體形貌，從而有效調(diào)控材料的光學性能。

 

2、鈣鈦礦型有機金屬鹵化物

 

鈣鈦礦型有機金屬鹵化物的A位一般為有機胺陽離子，如CH3NH3+和NH2CHNH2+等，A位有機陽離子的尺寸決定了有機金屬鹵化物是以三維鈣鈦礦結(jié)構(gòu)存在還是以低維形式存在。要得到穩(wěn)定的三維鈣鈦礦型金屬鹵化物，MX6八面體網(wǎng)絡應有足夠的空間容納A位陽離子；A位陽離子的尺寸對材料的禁帶寬度有一定的影響，陽離子尺寸小則禁帶寬度較低。M位金屬離子一般為Pb2+或Sn2+，錫與鉛同屬于IV主族元素，具有相似的核外電子分布。ASnI3在室溫下為贗立方結(jié)構(gòu)(空間群為P4mm)，比APbI3具有更高的結(jié)構(gòu)對稱性，禁帶寬度比APbI3的低約0.3eV；二者均為直接帶隙半導體，具有明顯的吸收邊。錫被認為是目前替代鉛制備無鉛鈣鈦礦型太陽能電池最具潛力的元素。X位一般為I-、Br-和Cl-，以及按一定比例混合的I-、Br-和Cl-，這可以提高鈣鈦礦型有機金屬鹵化物的光電性能。

 

利用高壓技術可以制備新型功能材料并對其結(jié)構(gòu)和性能進行有效調(diào)控。綜合已有試驗數(shù)據(jù)可知：鈣鈦礦型有機/無機金屬鹵化物的晶體結(jié)構(gòu)和光電性能在壓力的作用下均有明顯的改變。對此類光電材料進行高壓作用下的結(jié)構(gòu)和性能演變研究不僅有助于進一步揭示鈣鈦礦體系的光伏機制，還可以為尋找性能更優(yōu)異的新型光電材料提供理論指導和試驗依據(jù)。

 

金屬氧化物光電材料

 

金屬氧化物光電材料具有良好的物理化學性能，且制備工藝簡單，在光催化和太陽能電池等領域有著良好的應用前景。其中：二元金屬氧化物(如TiO2、ZnO、SnO2、Ta2O5和GeO2等)由于具有優(yōu)異的光催化性能和光電性能，已在環(huán)境保護和染料敏化太陽能電池領域得到了廣泛研究；而鐵電氧化物因具有較高的輸出光生電壓、良好的電場調(diào)控光伏性能等優(yōu)點，在光伏電池、光驅(qū)動器和光傳感器等領域應用較多。

 

相對于傳統(tǒng)光伏材料，鐵電氧化物光電材料具有以下優(yōu)點：

(1)與傳統(tǒng)光伏材料通過界面P-N結(jié)的內(nèi)建電場不同，鐵電極化電場能夠有效降低光生電子與空穴的復合率，從而大大提升光伏材料的光電轉(zhuǎn)換效率；

(2)傳統(tǒng)光伏材料的P-N結(jié)開路電壓一般都小于1V，而在具有特定電疇的鐵電材料中，光生電壓能夠突破材料禁帶寬度的限制；

(3)鐵電材料的制備工藝簡單，生產(chǎn)成本較低，更易實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

 

1、二元金屬氧化物

 

作為一種非常重要的能源材料，TiO2的導電性不佳一直是制約其應用的主要因素之一。鈮離子摻雜雖然可以在一定程度上改善TiO2的導電性，但該導電性還遠未達到應用的要求。但通過一系列試驗可以預測這種由壓力誘導形成的非晶態(tài)納米材料的光電性能將大大優(yōu)于其常壓晶態(tài)材料的或傳統(tǒng)非晶態(tài)材料的。

 

2、鐵電氧化物

 

目前，雖然對新型窄帶隙鐵電材料的探索和現(xiàn)有鐵電材料光電性能的優(yōu)化研究已有了許多重要成果，但鐵電材料光電轉(zhuǎn)換效率依然很低，這主要是由于缺乏有效手段對鐵電材料的鐵電性與導電性進行同步優(yōu)化。鐵電性(主要是極化強度)直接影響鐵電材料的光電特性(光生電流和電壓)，剩余極化強度越大，光生電流和光電轉(zhuǎn)換效率越高。但鐵電材料的電阻率較高、導電性較差，這就導致載流子濃度和遷移率都很低，阻礙了鐵電材料光電轉(zhuǎn)換效率的進一步提升。

 

通過一系列試驗可知，該壓力誘導形成的鐵電相材料是一種很有希望的新型鐵電光伏材料，并且在光敏傳感器上具有應用潛力。等靜壓技術可以調(diào)控鐵電氧化物材料的晶體結(jié)構(gòu)、鐵電性能和光電性能，在設計和開發(fā)高性能鐵電光伏材料方面有著巨大的應用空間。

 

結(jié)束語

 

迄今為止，由于存在光電轉(zhuǎn)換效率低、制備成本高等問題，能夠?qū)嶋H應用的光電材料較少。高壓技術可以有效調(diào)控光電材料的晶體結(jié)構(gòu)和物理性能，同時也是制備新型光電材料的重要方法。近年來，高壓技術已得到廣泛應用，且已得到許多獨特的結(jié)果。

 

(1)高壓技術能夠有效調(diào)控硫族光電材料的禁帶寬度和電導率，但尚未有該材料在高壓下光電性能的研究報道；壓力誘導相變是未來材料光電性能優(yōu)化的一個研究方向。

 

(2)在壓力誘導下，鈣鈦礦型金屬鹵化物光電材料發(fā)生重結(jié)晶和非晶化，導致光電性能的提高，但該高壓誘導的結(jié)構(gòu)相變大多是可逆的，如何穩(wěn)定高壓誘導形成的結(jié)晶相和非晶相是光電性能優(yōu)化研究的主要方向。

 

(3)對鐵電光電材料的高壓研究尚處于起步階段，但已有結(jié)果表明，高壓技術在鐵電光電材料的禁帶寬度調(diào)控、導電性能優(yōu)化、鐵電極化以及光電性能提升方面有著較大的研究潛力。

 

(4)高壓技術在新型光電材料的制備和光電性能調(diào)控上具有極大的發(fā)展?jié)摿?，是未來開發(fā)新型高效光電材料的新途徑。