南京大学邓正涛教授团队在铅卤钙钛矿纳米晶-高分子复合材料在广色域显示和太阳能聚光发电中的应用研究中取得进展

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近年来，金属卤化物钙钛矿材料由于具有优异的光电性质和潜在的应用前景，引起了人们广泛关注。基于金属卤化物钙钛矿纳米晶的尺寸和组份依赖的能带隙可调、高光吸收系数、高荧光量子产率、窄的荧光发射半峰宽、可调的斯托克斯位移、简便的溶液相合成等特点，钙钛矿纳米晶体是实现广色域显示器件和太阳能聚光发电窗户应用的理想发光材料。

近年来，南京大学现代工程与应用科学学院邓正涛教授课题组在铅基卤化物钙钛矿纳米晶的尺寸、形貌、组分和晶型可控制备领域发表了系列工作，如：1. ACS Nano 2016,10, 3648-3657；2. Chem. Mater. 2017, 29 , 2157-2166；3. Nanoscale 2017, 9, 7252-7259；4. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 3853-3860；5. Chem. Commun. 2018, 54, 2804-2807；6. Chem. Commun. 2018, 54, 4021-4024；7. Nanoscale , 2018, 10, 7658-7665。尽管发光铅卤钙钛矿纳米晶在材料的制备和性能研究上取得了长足的进步，但是在实际应用中的进展明显滞后。例如，在显示器件和发电窗户的实际应用环境中，暴露在光、热、水、氧和机械力作用下的稳定性较差，老化测试达不到实际应用的要求。

最近，该团队采用可聚合的甲基丙烯酸月桂酯为溶剂以热注射法制备了铯铅溴纳米晶原液，直接与低聚物和引发剂混合，通过紫外光聚合原位制备了高质量的纳米晶-高分子复合薄膜。该工作发表于2019年3月出版的ACS Applied Materials & Interfaces上。与传统方法相比，甲基丙烯酸酯单体制备的钙钛矿纳米晶不需要繁琐的离心、分离和再分散，避免纯化过程对钙钛矿纳米晶的破坏。此外，与经典的十八烯体系纯化后制备的纳米晶-高分子复合薄膜相比，甲基丙烯酸月桂酯体系制备的薄膜具有更优异的光学性能，绝对荧光量子产率可高达85%~90%，在氙灯照射下表现出了优异的光稳定性，而传统方法制备的薄膜的绝对荧光量子产率仅为54%，在光照下其光学性能迅速下降。甲基丙烯酸月桂酯体系制备的复合薄膜具有良好的耐水性和耐热性（50 ℃水中加热了200 h，仍然保持90%的发光效率）。采用高绝对荧光量子产率的绿光发射的复合薄膜和红色发射荧光粉（KSF）作为液晶背光中蓝光发光二极管（LED）的下转换荧光材料制备了原型显示器件，其在国际照明委员会（CIE）1931颜色空间中的色域覆盖率为115%，同时具有很高的光学稳定性。这些进展为铅卤钙钛矿纳米晶材料在广色域显示器件中的应用奠定了良好的基础。

图1.新方法制备卤化铅钙钛矿纳米晶-高分子复合光学膜的示意图及在广色域显示器件中的应用（ACS Applied Materials & Interfaces，2019,11, 9317−9325）。

最近，该团队还报道了高发光性能、超稳定的甲脒铅卤钙钛矿纳米晶-高分子复合薄板应用于太阳能聚光发电窗户。该论文发表在2019年3月出版的Journal of Materials Chemistry A上，论文提出了二元羧酸作配体的配体辅助的共沉淀法合成甲脒铅卤钙钛矿纳米晶的新策略。由于二元羧酸的强结合作用，与用油酸作配体合成的纳米晶相比，癸二酸作配体合成的甲脒铅溴纳米晶表现出更高的稳定性、化学产率以及绝对荧光量子发光效率（>90%）。此外，癸二酸作配体的纳米晶与聚苯乙烯具有良好的相容性，因此，纳米晶-聚苯乙烯浆液具有合适的粘度，可以方便地使用标准的刮刀涂布法将浆液涂布在商用的聚甲基丙烯酸甲酯板上得到太阳能聚光器件。该器件具有明显的太阳光聚光效果，绝对荧光量子发光效率为92±5%，在高温（60℃）、高湿（相对湿度，RH=90%）环境下稳定。这些进展为铅卤钙钛矿纳米晶材料在太阳能聚光发电窗户中的应用奠定了基础。

图2.可控合成甲脒铅溴纳米晶和涂布法制备太阳能聚光发电窗户 (Journal of Materials Chemistry A， 2019, 7, 4872–4880)。

现代工程与应用科学学院博士研究生童建宇为以上两篇论文的第一作者。以上工作得到了聂书明教授的悉心指导。现代工程与应用科学学院张弢教授在高分子材料设计方面，北京理工大学李红博教授在太阳能聚光器方面做出了重要贡献。以上工作得到了国家自然科学基金(Grant No. 51502130)，江苏省科学自然基金项目(BK20150581)， 江苏省“双创计划”， 中央高校基本科研业务费专项基金和江苏省纳米技术重点实验室的资助。

论文的链接：

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acsami.8b20681

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c8ta12149d/unauth#!pAbstract

来源：南京大学

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