钙钛矿材料演变新一代太阳能电池

钙钛矿(Perovskite)基材已被拉拢到太阳能光伏效应(PV)的太阳能电池(SolarCell)产业，这是由于基于钙钛矿材料将轻易制造对抗温室效应的解决方案，加上该材料的转换效率从2009年仅仅3.8%提升到2014年超过20%，因此钙钛矿材料制作而成的太阳能电池，在2016年可望进入商用市场。

钙钛矿也有很多其他的可调谐半导体特性，如高温超导(High-temperatureSuperconductivity)、庞大的磁阻、铁电，以及多样化的磁性与光电性能。这让研究人员思考--若是矽太阳能电池可以也被制作成不同的半导体晶片，为何钙钛矿基材不行呢？

早期研究人员曾尝试从材料制造场效电晶体(FET)，然而得到“有限的成功”，这是根据位于北卡罗来纳州温斯顿-塞勒姆的维克森林大学(WakeForestUniversity)教授OanaJurchescu的研究结果，Jurchescu教授也声称他的研究小组是第一个成功利用钙钛矿卤化物(Halide-Perovskite)制作出场效电晶体的团队。这可能在灵活性、低成本、低功耗的光电半导体开创一个新纪元，类似于互补式金属氧化物半导体(CMOS)在弹性的基板上处理光讯号。

CH3NH3PbI3-xClx混合钙钛矿卤化物晶体结构。铅(黄色球)和卤化物(I/CI，粉红球)各别位在八面体的中心和角部，有机阳离子则位于空隙。

“混合钙钛矿卤化物场效电晶体(HHP-FET)能促进光电互补的发展。”Jurchescu教授告诉EETimes。他也补充说明，这项工作是与犹他州立大学(UniversityofUtah)共同合作。

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从光学角度切入，因为“发光二极体(LED)基于这些媲美市场上最好的化合物。”这是根据Jurchescu教授的说法。此外，HHP-FET半导体也可表现出波长可调光致发光(Photoluminescence，PL)发射，包括制造电泵浦雷射，以及有扩散长度数百微米的电荷载体。该材料具有自旋相关(Spin-related)属性，尽管基于较强的自旋-轨迹(Spin-orbit)耦合而有相对短的自旋寿命。

好消息是，Jurchescu教授能够以同样的载体流动性，展示互补的N型(N-type)与P型(P-type)元件，让类CMOS(CMOS-like)钙钛矿半导体能在未来问世。坏消息则是，Jurchescu教授目前的原型显示出一个1cm2/Vs电子迁移率，相较于矽材料的1,400cm2/Vs的电子离动率，可说惨澹许多。然而，理论上HHP-FET最大的电子迁移率是2,000cm2/Vs--即使高过矽，但却伴随着300cm2/Vs的空穴迁移率(与矽材料的450cm2/Vs相比)。研究人员也发现HHP-FET在良率、可运作性及环定稳定性也比不上矽，这或许可从任何新的半导体材料预料得到。

“如同你指出的，在我们的HHP-FET得到的流动性比那些矽材料的纪录还低。”然而这些材料仍具有其他几个优点。其中一个优势是比起矽制程，其相容性允许装置可在低成本和一般环境条件下制造，如同沉积在任何类型的基板，包含弹性和可挠曲基板。此外，平衡空穴和电子传输建议方面，在互补光电应用中，这些材料是可被结合的，因为这样的性能水准就已足够。最后，这仅仅是最原始的第一代装置，其被预测的流动率数值就已相当优越，我敢肯定，也许透过更好的工程装置，流动性将能有所改善。