美國能源部(DoE)所贊助的一個研究團隊表示,熱門的太陽光電材料鈣鈦礦(perovskite)若生長在一個原子厚度的混合單層(hybrid monolayers)上,其性能可媲美石墨烯(graphene)。

而且這種高能量材料的生長過程比石墨烯簡單,能經過摻雜(dope),製造性能超越其他具備可調諧電/光特性之2D材料的不同種類離子半導體(ionic semiconductor)元件;研究人員表示:「高品質的2D晶體展現高效率的光激發光(photoluminescence)特性,並可透過改變薄片的厚度或是合成相關材料來調整顏色。」

2D奈米材料已經是整個半導體產業積極研究的主題,因為這類僅有單一個原子厚度的材料標誌著半導體製程微縮的最終路線;此外2D材料展現的電子特性不但獨特還能在某些狀況下呈倍數增加,而且僅需數個原子厚度的薄膜。

因此能源部決定調查原子級厚度混合有機-無機鈣鈦礦薄片的電子特性,以將之作為更容易製造的石墨烯或是更罕見材料配方的替代品;能源部指出,因為太陽光電對光線敏感,混合2D鈣鈦礦不只是具潛力的矽太陽能電池材料接班人,也可以被應用於其他光電領域,例如光探測器(photodetector)、發光二極體(LED)以及雷射等等。

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原子級厚度單層薄膜的空位缺陷(vacancy defect),能透過摻雜達到想要的光電特性
(來源:Jinhua Hong et. al.)

科學家們製作了新型態的原子級厚度混合有機-無機鈣鈦礦2D薄片,並首度展現該種材料能在光電應用上媲美半導體材料;接下來他們將展現這種材料做為其他2D半導體材料的替代品之潛力,包括能替代矽在未來電子元件中的應用。換句話說,混合有機-無機鈣鈦礦薄片,也可能與石墨烯、氮化硼(boron nitride)、二硫化鉬(molybdenum disulfide)等等,被廣泛研究的矽材料接班人同台競爭。

混合有機-無機鈣鈦礦是在室溫下由溶液長晶,晶體大小約10微米(micron);這些晶體在結晶化的過程中鬆弛,其能隙(band gap)也會隨之改變。藉由控制結晶化的速度,能源部期望能駕馭可變的能隙特性,來控制其發光顏色以及其他先進的電/光特性。

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科學家以鈣鈦礦材料製作原子級厚度薄膜,這種2D薄片發光顏色(即波長)能透過改變厚度與成份來調整
(來源:AAAS)

編譯:Judith Cheng

(參考原文:2-D PV to Rival Graphene,by R. Colin Johnson)