研究人员开发用于能源和传感的新材料

麻省理工学院和西北大学的一组研究人员展示了微调钙钛矿杂化材料电子性能的能力，这种杂化钙钛矿材料作为潜在的用于太阳能电池和光源等设备的下一代光电材料引起了极大的兴趣。

该材料被归类为“混合型”，因为它们包含无机成分(如金属)以及组织成纳米级层的有机分子(如碳和氮)。在本周在线发表在《自然化学》上的一篇论文中，研究人员表明，通过战略性地改变有机层的组成，他们可以调整钙钛矿吸收的光的颜色以及材料发出光的波长。重要的是，他们在基本上不改变无机成分的情况下完成了这一任务。

“直到现在，大多数实验和理论证据表明，有机层只是充当惰性间隔物，其唯一作用是分离电子活性无机层，”麻省理工学院能源研究的ARCO职业发展教授Will Tisdale说。作者在纸上。“这些新结果表明，我们可以教有机层做更多的事情。”

“我们的实验室一直对结合无机和有机成分以产生协同性能的新型混合材料的设计感兴趣，而这正是我们在研究令人兴奋的能源材料(钙钛矿)中所做的工作，” Samuel Stupp说，西北大学化学，材料科学与工程，医学和生物医学工程专业的董事会教授，并且是该论文的共同通讯作者。

钙钛矿是大约200年前在乌拉尔山脉首次发现的天然矿物质，在确定可以将光转变为可用电之后的十年中，对钙钛矿进行了深入研究。这些材料被认为是实现可持续能源未来的可能关键，因为它们的制造成本低于流行的硅基太阳能电池，并且可以将光能转化为电能的效率几乎相同。

然而，由于钙钛矿太阳能电池对热和湿气的敏感性，它们在室外条件下的耐用性和稳定性要差得多。科学家最近发现，将钙钛矿的传统3-D结构分成许多薄层(从几个原子厚到几十个原子厚不等)，可以提高稳定性和性能。

在层状钙钛矿中，无机层吸收光并产生最终产生电能所需的电荷。有机层通常是绝缘的，并且起到巨壁的作用，防止光产生的电荷移出无机层。

“这项合作之所以令人兴奋，是因为Stupp小组从西北航空寄给我们的材料与我们在麻省理工学院提出的问题完全吻合，钙钛矿的无机层中的激子如何受到有机物的性质的影响蒂斯代尔大学的前博士后凯蒂·毛克(Katie Mauck)说，他现在是肯永学院的化学助理教授。她与Stupp小组的研究生James Passarelli一起是该论文的第一作者。“詹姆斯对钙钛矿合成的模块化方法使我们能够通过Tisdale实验室的光谱学，可控制地调节这些层之间的相互作用，并研究其对激子动力学的影响。”

斯图普说：“当光被钙钛矿等半导体吸收时，带负电荷的电子会吸收能量并移走。”“由于物质想要保持中性，这会在它们留下的带正电荷的位置上建立吸引力。我们能够通过在有机层中掺入特定类型的分子来控制这种作用力的大小，从而改变了它们的有趣性属性。”

在Mauck和Stupp实验室成员在2018年夏季的科学会议上偶然碰面之后，Northwestern与MIT的合作开始了。Stupp实验室此前在合成无机有机杂化材料方面进行了开拓性的工作，可用于能源和医学领域，而Tisdale小组专门研究使用激光探测纳米材料的特性。

对于这个项目，这些兴趣完全重叠，因为Stupp小组开发了混合钙钛矿结构，而Tisdale小组进行了精确的光谱测量，以确认系统内的相互作用。

将来，微调这些材料的电子性能的能力将应用于各种光学或电子传感器，包括利用有机层存在的分子传感器，以及太阳能电池和光探测器。

蒂斯代尔说：“除了改进光电子器件的途径外，这项工作还强调了纳米级半导体的一些独特优势，它们比周围的材料对周围的环境更敏感。”“我们在混合层状钙钛矿中所学到的教训可以扩展到许多其他新兴材料。”

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