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博文

《有机-无机复合光电材料及其应用》丨国家出版基金项目

已有 3582 次阅读 2020-5-9 09:39 |系统分类:科研笔记

有机-无机复合光电材料是一类结合了有机、无机组分各自优势的具有光电功能的复合半导体材料。该类材料不仅具备了无机半导体材料的高光电特性，能够实现高效、灵敏的光电转换，在能源、显示与照明、传感等领域具有广泛的应用前景，而且综合了有机材料质轻、柔性的特征，并可采用低温溶液方法实现薄膜器件的大面积与图案化制备，能够满足信息社会不断提高的对便携、可穿戴电子产品的需求，且具有易制备和低成本的潜在优势。

图1 有机-无机复合光电材料特征与应用

有机和无机组分在化学结构、晶体结构、电子结构上的严重失配，给高性能有机-无机复合光电材料的制备带来了极大的挑战。如何在复合材料中构建有序的复合微纳结构是发挥有机材料与无机材料两者之间的协同效应、提升光电功能的关键所在。随着纳米科学技术的飞速发展，聚合物-无机纳米晶复合光电材料的研究推动了有机-无机复合光电材料的蓬勃发展。关于不同形状的无机纳米晶的可控制备，能级匹配的聚合物-无机纳米晶复合光电材料的设计，表面/界面化学修饰以改善组分相容性等一系列研究成果，逐步揭示了高性能有机-无机复合光电材料的结构-性能关系，大大丰富了人们对复合半导体材料相结构、界面结构、缺陷结构的认识，并获得了众多行之有效的制备与调控手段。

有机-无机复合光电材料的研究，经历了从无序到有序，从组分间的简单共混到注重组分间聚集态结构和电子结构相容性的聚合物-无机纳米晶复合，再到有机、无机组分分子内复合的发展历程。有序复合一直是公认的有机-无机复合光电材料实现高性能化的必由之路。二十世纪末有机-无机复合钙钛矿材料的出现，以及近年来对该类材料认识的不断深入，掀起了有机-无机复合光电材料发展的新高潮。该类材料以其光吸收系数大、载流子迁移率高、激子扩散距离长等特点，生动展现了有序复合产生的巨大优势，引发了科学家对有机-无机复合半导体材料的全新认识。

图2 有机-无机复合钙钛矿结构特征

《有机-无机复合光电材料及其应用》编著者从二十世纪八十年代末开始有机-有机半导体材料复合的研究工作，发现了一系列新现象和新效应，并首次提出了“有机复合半导体材料”的新概念。随后，在此基础上，又将其中的一个组分从有机组分拓展为无机组分，拟实现有机半导体与无机半导体两者的优势互补，开展了有机-无机复合光电材料的研究。经过一系列开拓性的尝试，建立了有机-无机有序复合半导体材料的系列制备新技术和界面修饰新策略，为复合光电材料构筑了有利于载流子产生、传输和收集的聚集态结构和电子结构；观察到了有机-无机复合材料的光电性能呈现协同增强和协同互补的协同创新效应；发现了复合半导体材料的“光伏极性反转”新现象；实现了对复合材料的结构、带隙和光电特性的有效调控。这些结果进一步证明了“复合半导体”这一新概念的科学性，并丰富了其内涵和适用范围。于此同时，国际上众多科学家也开展了大量的有机-无机复合光电材料的研究工作。在全世界科学家的共同努力下，有机-无机复合光电材料已经发展成为世界范围内的研究前沿和热点，相关研究也获得重要的进展和大量突破性的成果。

在此，编著者将这些进展与成果系统整理，并穿插介绍了编著者的研究结果和心得体会。《有机-无机复合光电材料及其应用》一书共六章：

第一章简要介绍有机-无机复合光电材料的发展历程和基本概念。

第二章从聚合物-无机纳米晶复合太阳电池的原理出发，就聚合物给体材料的选择、无机纳米晶可控制备、表/界面修饰以及复合薄膜形貌控制等方面，详述聚合物-无机纳米晶复合光电材料结构与太阳电池器件性能间的关系。

第三章主要介绍三维钙钛矿材料及其在太阳电池中的应用，围绕三维结构有机-无机复合钙钛矿材料的结构特征及其调控方法、电池器件结构与工作原理，介绍高效率钙钛矿太阳电池的设计与制备方法，并概述钙钛矿太阳电池稳定性、钙钛矿叠层太阳电池以及非铅钙钛矿太阳电池的研究进展。

第四章总结二维-准二维钙钛矿材料的化学结构、晶体结构和薄膜形貌特征和调控方法，及其对太阳电池效率的影响。

第五章针对有机-无机复合钙钛矿量子点发光材料与器件，从钙钛矿量子点的制备入手，阐述发光器件的结构、工作原理以及优化方式，并从量子点钝化、提高量子点薄膜质量、提高与平衡载流子的注入等方面详细介绍器件优化方案。

第六章结合信息化社会对光电传感器的需求，介绍有机-无机复合光电材料（包括有机-无机纳米晶复合材料、有机-无机复合钙钛矿材料），及其作为光敏层在光敏电阻、光敏晶体管、光敏二极管等光电探测器件中的应用。

本书瞄准前沿，内容丰富，特别难得的是，本书编著者是一批长期活跃在有机-无机复合光电材料领域的中青年学者，能够在百忙之中系统全面地总结他们的研究经验并分享给读者，善莫大焉。希望本书能引起广大读者的浓厚兴趣，同时能为领域内的研究者提供有益的参考和借鉴，共同促进该领域的发展和进步。

作者简介

陈红征

浙江大学求是特聘教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。1994年于浙江大学获博士学位，先后在香港科技大学、比利时安特卫普大学和联合高校微电子中心（IMEC）、美国斯坦福大学访问研究，主要从事有机和有机-无机复合光电功能材料与器件的研究。发表SCI收录论文300余篇，他引超过9000次，获授权国家发明专利42件。曾获中国化学会青年化学奖，入选教育部跨世纪优秀人才培养计划，获浙江省三八红旗手、全国女职工建功立业标兵和浙江省巾帼发明者等荣誉和称号。兼任美国化学会期刊ACS Applied Polymer Materials 副主编等。

段炼

清华大学化学系教授。2003年毕业于清华大学化学系，获理学博士学位。主要从事有机光电材料及器件相关领域研究，发表论文210余篇，获授权国际国内专利100余件。作为第二完成人, 获2011年国家技术发明一等奖。2015年获国家杰出青年科学基金资助。

《有机-无机复合光电材料及其应用》属于“十三五”国家重点出版物出版规划项目“光电子科学与技术前沿丛书”（丛书主编：姚建年，褚君浩）。丛书已出版书目：

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本文摘编自《有机-无机复合光电材料及其应用》（陈红征、段炼等编著，北京：科学出版社）一书，标题为编辑所加。

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《有机-无机复合光电材料及其应用》

ISBN 978-7-03-064425-1

责任编辑：张淑晓

本书目录

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丛书序 i

前言 iii
第1章绪论 001
1.1 半导体材料的光电性质 001
1.2 复合半导体概念的提出和协同新效应 002
1.3 有机-无机复合半导体材料 004
参考文献 006
第2章聚合物-无机纳米晶复合光电材料及其在太阳电池中的应用 007
2.1 聚合物-无机纳米晶复合太阳电池简介 007
2.1.1 复合太阳电池的由来 007
2.1.2 聚合物-无机纳米晶复合太阳电池的原理 008
2.1.3 聚合物-无机纳米晶复合太阳电池的研究进展 010
2.2 聚合物-无机纳米晶复合太阳电池材料 012
2.2.1 聚合物材料 013
2.2.2 无机纳米晶材料 014
2.3 聚合物-无机纳米晶复合太阳电池器件性能的影响因素 019
2.3.1 聚合物材料 019
2.3.2 纳米晶形状及尺寸 019
2.3.3 薄膜形貌 021
2.3.4 表面与界面 023
2.3.5 器件结构 026
2.4 结论与展望 027
参考文献 028
第3章三维钙钛矿材料及其在太阳电池中的应用 033
3.1 钙钛矿太阳电池简介 033
3.1.1 钙钛矿材料简介 033
3.1.2 钙钛矿材料作为光伏材料的优点 034
3.1.3 钙钛矿太阳电池研究进展 035
3.1.4 钙钛矿太阳电池的器件结构 036
3.1.5 钙钛矿太阳电池的工作原理 038
3.1.6 钙钛矿薄膜的制备方法 041
3.2 钙钛矿材料及其太阳电池的稳定性 044
3.2.1 水和氧气对钙钛矿太阳电池稳定性的影响 045
3.2.2 温度对钙钛矿太阳电池稳定性的影响 046
3.2.3 湿法制备条件对钙钛矿太阳电池稳定性的影响 049
3.2.4 紫外光照对钙钛矿太阳电池稳定性的影响 050
3.2.5 结论 051
3.3 钙钛矿太阳电池界面调控 052
3.3.1 电子传输层 052
3.3.2 空穴传输层 062
3.4 钙钛矿太阳电池器件工程 066
3.4.1 有机/钙钛矿叠层电池 067
3.4.2 硅/钙钛矿叠层电池 068
3.4.3 CIGS/钙钛矿叠层电池 069
3.4.4 钙钛矿/钙钛矿叠层电池 070
3.5 非铅钙钛矿太阳电池 072
3.5.1 锡基钙钛矿太阳电池 072
3.5.2 锗基钙钛矿太阳电池 075
3.5.3 基于ⅡA和ⅠB族金属的钙钛矿太阳电池 075
3.5.4 基于ⅤA和ⅢA族金属的钙钛矿太阳电池 078
3.5.5 非铅钙钛矿太阳电池的不足与展望 079
3.6 结论与展望 080
参考文献 081
第4章二维-准二维钙钛矿材料及其在太阳电池中的应用 095
4.1 低n值二维钙钛矿取向调控 097
4.2 准二维钙钛矿材料 101
4.3 二维层状钙钛矿作界面层 103
4.4 新型二维层状钙钛矿作活性层 105
4.5 结论与展望 107
参考文献 107
第5章钙钛矿量子点发光材料与器件 112
5.1 钙钛矿量子点的研究意义 112
5.2 钙钛矿量子点的制备 117
5.2.1 原位复合法 118
5.2.2 热注入法 120
5.2.3 LARP 法 121
5.2.4 研磨/超声法 125
5.3 钙钛矿量子点光致发光器件 127
5.4 钙钛矿量子点电致发光器件 129
5.4.1 器件结构及工作原理 129
5.4.2 基于不同钙钛矿材料的电致发光器件 130
5.5 钙钛矿电致发光器件优化 137
5.5.1 钙钛矿量子点的纯化 137
5.5.2 钙钛矿薄膜质量的改善 142
5.5.3 载流子注入效率的提高 148
5.5.4 载流子注入平衡的优化 148
5.6 钙钛矿电致发光器件稳定性问题 151
5.6.1 钙钛矿材料的稳定性 151
5.6.2 器件工作稳定性 152
5.7 结论与展望 153
参考文献 155
第6章有机-无机复合光电材料及其光电探测器 166
6.1 有机-无机复合光电探测器简介 166
6.2 有机-纳米晶复合光电探测材料与器件 167
6.3 钙钛矿光电探测器 175
6.3.1 光导型光电探测器 175
6.3.2 光敏晶体管型光电探测器 180
6.3.3 光敏二极管型光电探测器 183
6.4 结论与展望 189
参考文献 190
索引 196