太阳能发电是一个蓬勃发展的产业，具有积极的环境影响。近十年来，有机无机杂化钙钛矿材料凭借低成本的和快速增长的光电转换效率成为光伏领域的明星材料。这些钙钛矿材料凭借其独特的光学和电子特性展现出非常广阔的应用前景。尽管如此，有机无机杂化钙钛矿的稳定性很差，导致它们在几个小时或几天内表现良好，然后迅速衰减。而且通常都还包含铅基材料，从而限制了它们在可穿戴电子设备中的可用性。
近期，普渡大学（Purdue University）Letian Dou教授团队报道了一系列新型有机无机杂化钙钛矿材料，他们向钙钛矿中引入了一系列有机共轭结构单元。这些钙钛矿材料不仅融合了这些有机半导体特性，还利用了现有有机共轭材料的疏水特性（使材料稳定）。该团队在最近发表的两篇论文中，详细介绍了他们在新型钙钛矿结构性能以及应用中的发现。第一项研究发表在最新一期的Nature Chemistry [1]，展示了普渡大学、上海科技大学、杜克大学和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员如何控制有机分子与钙钛矿之间的相互作用，从而形成一系列新的杂化结构。该团队提出了一种分子设计策略，有效抑制了有机共轭分子自身的相互作用和自聚集现象，从而指导有机分子如何适应无机结构并改善钙钛矿的性能。
图1. 杂化钙钛矿量子阱(R)2PbI4的结构示意图，其中R代表有机半导体单元
通常，有机和无机材料“不愿意”结合在一起。这类材料的有机侧较软，而无机侧则较硬，导致有机材料容易不断移动。因为晶体结构不是相对固定的，如此一来更难准确确定有机材料的位置。研究人员进行了数次尝试，才找到正确的方法来培养单晶，从而更好地确定了它们的晶体结构——类似于“三明治”，钙钛矿的无机材料层两侧都有有机分子层包夹。
普渡大学化工系教授Letian Dou表示：“这些新结构非常令人兴奋。三明治结构就像今天在许多电子和光电设备中广泛使用的GaN或GaAs半导体量子阱一样，但同时它们更易于生产且更能容忍缺陷。”
普渡大学化学系教授Libai Huang指出：“这项工作为这类材料在各种电子设备中的应用奠定了基础，并拓宽了我们对光学和电子特性以及材料稳定性的理解。”
图2. 超薄杂化钙钛矿量子阱晶体表现出可调的光学特性
该团队在此基础上紧接着开展了第二项研究，已于2019年9月发表在了J. Am. Chem. Soc.上 [2]，该研究将这类有机无机杂化钙钛矿材料成功应用于电子器件场效应晶体管（FET），并发现在FET中这样的分子设计使得该类材料的稳定性和性能都得到了提高。同时此新材料还不包含有毒元素Pb，从而对环境更加友好，实用性进一步增强。
半导体实际上是所有电子和光电设备的基础，例如晶体管、太阳能电池、LED和光电探测器，是计算机、电视和照相机中的关键部件。因此这种新的有机无机杂化钙钛矿材料的潜在用途非常广泛，新材料比传统的无机半导体更便宜且性能更好。新的材料设计策略还可以指导许多其他功能性杂化材料的研发。
图3. 非铅二维钙钛矿(4Tm)2SnI4晶体结构及晶体管电压-电流特性曲线
“正如许多人所证明的那样，太阳能电池可以非常高效，”两篇论文的第一作者、博士后高垚展望道，“借助我们的新技术，可以使杂化钙钛矿材料本质上更加稳定。通过替换有毒的铅，这些新材料对环境更有利，将来也可以安全地用于身体上的生物电子传感器。”
研究人员表示有机无机杂化钙钛矿材料具有扩大规模用于商业用途的潜力。该团队计划继续研究更多新的晶体结构，以增强材料电荷载流子的传输性能和稳定性，从而进一步推动对二维杂化钙钛矿材料的化学和物理性质的研究。
这项研究得到了美国海军、普渡大学化工系以及工程院的资助。
1. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：Molecular engineering of organic–inorganic hybrid perovskites quantum wellsYao Gao, Enzheng Shi, Shibin Deng, Stephen B. Shiring, Jordan M. Snaider, Chao Liang, Biao Yuan, Ruyi Song, Svenja M. Janke, Alexander Liebman-Peláez, Pilsun Yoo, Matthias Zeller, Bryan W. Boudouris, Peilin Liao, Chenhui Zhu, Volker Blum, Yi Yu, Brett M. Savoie, Libai Huang, Letian Dou Nat. Chem., 2019, DOI: 10.1038/s41557-019-0354-2
2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：Highly Stable Lead-Free Perovskite Field-Effect Transistors Incorporating Linear π‑Conjugated Organic LigandsYao Gao, Zitang Wei, Pilsun Yoo, Enzheng Shi, Matthias Zeller, Chenhui Zhu, Peilin Liao, Letian DouJ. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 15577-15585, DOI: 10.1021/jacs.9b06276
https://www.x-mol.com/university/faculty/49767https://engineering.purdue.edu/ChE/news/2019/new-crystal-structure-improves-stability-safety-of-hybrid-perovskite-materials
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