The Innovation | 超越极限：合理设计钙钛矿/半导体异质结实现器件性能突破

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近年来，新型卤化物钙钛矿的研究取得了重大进展，如何进一步提升其器件性能、推动商业应用仍面临着诸多挑战。利用异质结调控钙钛矿材料的性质，构建由钙钛矿与其他半导体形成的不同维度异质结，为突破现有技术瓶颈提供了一条新思路。不同维度异质结的形成拓宽并提高了钙钛矿材料的光学、电学及机械性质，使器件性能与稳定性的不断提升和逐步应用成为可能。

图1 卤化物钙钛矿与不同半导体材料形成异质结及其代表性应用领域示意图

钙钛矿/半导体异质结可以合理结合钙钛矿材料与其他不同半导体材料的化学、物理和机械性质，突破钙钛矿单一组分性质的限制，打造一个新兴材料与器件创新平台，为调整材料特性、发掘新颖物理现象和机制、推动器件性能提升和实现应用提供更多机会（图1）。本文作者概述了新型卤化物钙钛矿异质结在制备、性质、器件性能和应用方面的研究进展，重点关注了异质结如何调节光学、电学和机械行为，并讨论了当前钙钛矿/半导体异质结研究面临的挑战和未来的发展方向。

作者综述了卤化物钙钛矿/半导体异质结研究的最新进展，重点关注其在优化物理性能和提高器件性能方面的最新成果及工作机制。文章简要讨论卤化物钙钛矿/异质结的基本概念。尺寸和结构维度的变化使钙钛矿从三维变为二维、一维或零维，带来量子限域效应、各向异性传输和介电效应等，并显著改变其能带位置和带隙，从而为形成各种钙钛矿/半导体异质结提供了可能。钙钛矿与半导体材料能够形成多种类型的异质结，其中I型和II型异质结应用较为广泛。

文章随后讨论了卤化物钙钛矿与不同半导体材料形成异质结的结合方式-即不同的界面化学作用力，和不同半导体材料的选取。卤化物钙钛矿是电子/离子双载流子半导体，钙钛矿与半导体之间的相互作用力包括共价键、离子键、氢键、范德华力等，选择性地利用这些相互作用力可以更好地设计高质量异质结。目前已报道的与钙钛矿形成异质结的半导体包括：量子点、导电聚合物、碳纳米管、有机小分子、二维材料、硅以及其他组分钙钛矿等（图2）。

图2 形成钙钛矿/半导体异质结的A) 各种配体和B) 半导体材料，包括纳米晶、大分子、二维材料、Si、小分子、碳纳米管等

文章具体分析了所形成的异质结影响和调控钙钛矿/半导体复合材料的光学、电学、机械性质和光稳定性的研究进展。其中，异质结对光学性质的影响包括：拓展吸收范围、增强/减弱荧光强度、影响光物理过程寿命、调控辐射/非辐射复合过程、影响非线性光学性质等。对电学性质的影响包括：调控电子能带结构、提高/降低载流子迁移率、影响离子迁移等。对机械性质的影响包括：提高/降低材料稳定性、增强机械性能等（图3）。

图3 多种钙钛矿/半导体异质结的示意图和表征。包括:A) MAPbI₃/PbS纳米晶；B) CsPbBr₃/Pb₄S₃Br₂异质结构的高分辨率HAADF-STEM图像；C）钙钛矿/导电聚合物薄膜的GIWAXS图像；D) MAPbI₃/CNT异质结的计算三维电荷密度差异图，红色和蓝色区域分别代表电荷积累和耗尽；E）MAPbI₃/CNT异质结的TEM图像，插图为快速傅里叶变换(FFT)结果

文章论述了如何利用异质结来提升钙钛矿光伏、发光二极管、光电探测器、光晶体管和光催化等具体器件的性能。不同器件需要选择不同的半导体材料及设计和构建不同的异质结类型。I型异质结有利于辐射复合，抑制俄歇复合和非辐射复合，从而有助于提高钙钛矿LED的发光效率。II型异质结有助于拓宽光吸收范围，提高电荷传输和收集效率，提高器件的光电转换效率，因而可用于提高太阳能电池、光电探测器和光电晶体管的性能和寿命。近年来钙钛矿/硅叠层太阳能电池或钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池的光电转换性能屡创新高，凸显了钙钛矿/半导体异质结未来在光电领域的光明前景。

最后，文章总结了当前钙钛矿基异质结研究所面临的挑战，并对其未来发展进行了展望。从材料、性质和应用的角度看，异质结在提升钙钛矿光电器件的性能、寿命、稳定性等方面，有望发挥更多积极的作用，从而推动卤化物钙钛矿材料在基础研究和应用领域的进一步发展。

总结与展望

钙钛矿/半导体异质结的研究正在快速发展，预计未来会从多个角度、多个领域取得突破：

1）材料的角度，半导体材料的多样性和独特性，将为基于钙钛矿的异质结的形成提供更多选择，推动化学、物理、材料、能源等学科的发展。

2）物理性质的角度，钙钛矿异质结将提供更宽的吸收范围、更高的迁移率、更大的发光强度、更长的寿命，推动器件性能不断提升。

3）钙钛矿异质结将推动合成方法、性质调控、工作机制、应用拓展等领域的发展。

责任编辑

马志超    吉林大学

赵柏林    西安交通大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00159-X

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第一期以Review发表的“Go beyond the limit: Rationally designed mixed-dimensional perovskite/semiconductor heterostructures and their applications” (投稿: 2022-05-27；接收: 2022-12-18；在线刊出: 2022-12-20)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100363

引用格式：Yu W., Li F., Huang T., et al. (2022). Go beyond the limit: Rationally designed mixed-dimensional perovskite/semiconductor heterostructures and their applications. The Innovation. 4(1),100363.

作者简介

于伟利，博士，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员。2009年博士毕业于吉林大学，之后在阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）从事博士后研究。2016年加入中科院长春光机所至今。研究兴趣包括：新型光电材料与器件，飞秒激光-物质相互作用的机制及其应用。

https://people.ucas.edu.cn/~0064491

李 峰，博士，悉尼大学物理学院讲师及DECRA研究员。主要研究兴趣集中在卤化物钙钛矿和有机半导体等功能半导体材料的合成制备与物理特性表征，并开发各种光电/电子应用，包括晶体管，光电探测器，自旋电子器件及太阳能电池。

吴 韬，博士，新南威尔士大学材料科学与工程教授。曾先后在芝加哥阿贡国家实验室、新加坡南洋理工大学和沙特阿拉伯KAUST从事研究工作。研究小组专注于探索新材料，特别是过渡金属氧化物和卤化物钙钛矿的薄膜、纳米材料和混合维度异质结构在电子和能源领域的应用。

https://www.unsw.edu.au/staff/tom-wu

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