【《二维钙钛矿研究背景概述》1700字】

二维钙钛矿研究背景概述钙钛矿，由俄罗斯矿物学家Perovski命名而来，后用来指代具有与CaTiO3相似结构的一类物质，化学通式为ABX3，其中A和B为阳离子，X为阴离子。它的结构特征是以B位阳离子为中心的X八面体共顶连接、并嵌在以A位离子为顶点的四方体中的具有5个原子的立方结构。其中，A位阳离子可以为Ge2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+，B位阳离子可以为Cd2+、Sn2+、Pb2+、Hg2+、Cr2+，而X位阴离子可以为F-、Cl-、Br-、I-等离子。根据A离子是否为有机离子，又可将钙钛矿分为无机钙钛矿和有机无机杂化钙钛矿。有机－无机杂化钙钛矿材料，结合了有机组分和无机组分的优点，因此具有适当的直接带隙、高的吸收系数、高载流子传输性、明显的缺陷宽度、热稳定，且成本低、易加工、成分（卤化物框架，夹层）有很高的可协调性等性质，在光、电、磁等方面表现出优异的性能，在太阳能电池、光电探测器领域具有广阔的应用前景。图1-2钙钛矿材料的晶体结构（图片引自文献[2]）虽然有机-无机杂化钙钛矿有着许多优良的性质，三维钙钛矿太阳电池的光电转化效率更是已经超过25％(如图1-2)，接近Shockley-Queisser极限。但是因为其在空气中的温度、湿度和光照稳定性不佳以及其中有毒的Pb2+离子的污染、难以大面积制备等问题，阻碍了钙钛矿的实际应用。图1-3太阳能电池效率记录图，截止2020年3月钙钛矿效率已超过25.2%（图片引自文献[3]）钙钛矿的稳定性及晶体结构可以由容忍因子（t）和八面体因子（μ）所决定，其中，t=RA+RX2(R钙钛矿材料的不稳定性主要来源于其湿度不稳定性。有文献报道，当钙钛矿材料暴露于高湿度环境时，它们会与水反应形成水合钙钛矿相，如单水合物（CH3NH3PbI3·H2O）和二水合物（(CH3NH3)4PbI6·2H2O）。最终，由于水分子和高吸湿性甲基之间的相互作用引起晶体之间化学键的分离，导致钙钛矿分解为PbI2，分解过程如图1-4所示。图1-4钙钛矿晶体与水结合分解的过程示意图（图片引自文献[4]）二维层状钙钛矿是在三维钙钛矿的基础上引入大的有机官能团形成的，其化学通式为(RNH3)2An-1BnX3n+1，式中A、B、X分别与三维钙钛矿结构中的符号表示相同，R为有机官能团，n为堆叠的对称共角八面体层数。n=1对应纯二维层状结构；n=∞则构成三维结构；n为其他整数时，所形成的是准二维层状结构，如图1-5。二维层状钙钛矿家族采用Ruddlesden-Popper晶体结构，这是因为引入的阳离子与由BX6所构成的立方八面体容忍因子不匹配，即不满足钙钛矿结构容忍因子所需满足的范围，因而就破坏了立方体的对称性。二维层状钙钛矿可以视为对三维钙钛矿进行了纳米尺度的封装，利用有机链作为间隔层来防止外部氧气和水分对于钙钛矿的破坏，使钙钛矿的稳定性得以提高。并且由于n及R的不同，二维层状钙钛矿材料的许多物理性质也随之不同，其独特的结构及光电性质使其在光电子器件如太阳电池、LED、光电探测器等方面具有良好的应用价值[5]，已经取得了一些进展。图1-5二维层状钙钛矿到三维钙钛矿结构示意图（图片引自文献[6]）作为太阳能电池材料，二维钙钛矿由于其宽的带隙及高的激子束缚能等原因，效率低于三维钙钛矿（目前只有12.5%[7][8]），但是在稳定性方面有着非常显著的提升。如图1-6所示，不论是光照和潮湿环境下三维钙钛矿器件性能迅速退化，而二维钙钛矿性能长时间维持稳定（大于2000小时）。图1-6三维钙钛矿和二维钙钛矿太阳能电池器件稳定性对比（引自文献[9]）同时，二维钙钛矿还有能带结构高度可调，激子效应显著和各向异性的导电性能等特点。此外在二维钙钛矿中还存在边沿态激子和自陷态