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[转载]燕山大学谷建民&焦体峰&卑尔根大学王伟 Carbon Energy：有机金属混卤钙钛矿电化学无色-黑色转换器件
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Colorless to black switching with high contrast ratio via the electrochemical process of a hybrid organic–inorganic perovskite Ming Xu, Jianmin Gu*, Zixun Fang, Yu Li, Xing Wang, Xiaoyu Zhao, Tifeng Jiao*, and Wei Wang*
Carbon Energy.
DOI：10.1002/cey2.358
01 研究背景 变色器件是一种在外界刺激下（光、温度、压力、湿度、和电场等）具有可逆变色的能力的装置，在显示器、汽车和建筑行业等领域展示出了巨大的应用潜力。在开发所有的可逆颜色变换中，无色透明与黑色之间的可逆颜色变换可以有效地将光从完全透射状态过滤到不透明的状态，达到调节光强度和室内温度从而实现节能的目的。常见的实现策略有颜色混合理论与整合不同的发色团于一种分子中，但这些变色材料在褪色时很难达到高的透过态，不能有效的实现无色与黑色之间的可逆颜色变换，阻碍了其实际应用。因此，设计和开发新型变色材料是解决这一问题的关键。 02 文章亮点 1、一种实现无色与黑色之间的可逆颜色变换的新策略：基于有机-无机杂化钙钛矿MAPbBr3的电化学过程，研制了在整个可见光区域完全反向吸收的无色与黑色可逆变换的器件； 2、在整个可见区域显示高对比度：在中性状态下，器件在整个可见区域显示出优越的透光率；器件在400-800 nm范围内，其整体平均对比度高达73%； 3、器件对比度可调：通过控制钙钛矿浓度和施加电压，在400-800 nm波长范围内实现有效地调制对比度。 03 主要内容 作者通过两步溶剂工程的方法成功合成了MAPbBr3材料，该方法可以获得大规模、高转化率和高纯相的钙钛矿材料。将其均匀地溶解到有机溶剂中作为电化学器件的活性层组，可以获得具有在中性状态下高的可见光透过率，这是构筑具有高透过率变色器件的前提。通过对器件施加适当的电压，利用钙钛矿的电化学性质，其在整个可见光谱内都具有高的吸收，器件展现出无色到黑色的转换。当电压为0 V时，器件又会从黑色褪为无色状态。通过对器件施加不同电压的切换，器件可以实现无色到黑色之间的可逆转换，在整个可见光范围内具有高的光调制特性，其在整个可见光谱的平均对比度高达73%。此外，通过改变浓度和施加电压，该装置的对比度可以很容易地在整个可见区域进行调制。 该成果以“Colorless to black switching with high contrast ratio via the electrochemical process of a hybrid organic–inorganic perovskite”为题发表在Carbon Energy上 04 图文解析 图1.(A) MAPbBr3合成及分子结构示意图。(B) 用于测量的实验装置示意图。(C) 不同浓度MAPbBr3的DMF溶液和激光照射下的照片。(D) 不同浓度MAPbBr3在DMF中的透射光谱，插入图为放大图。基于MAPbBr3的溶液光路(E) 垂直于(F) 平行于电极的透射谱。D的插入图是放大图，F是溶液的颜色变化。(G) 在阴极ITO上形成的样品紫外可见吸收光谱。插入照片显示了在阴极ITO上形成的样品的颜色变化。 图2. (A) MAPbBr3在DMF中的阳极DPV曲线和(B) 阴极DPV曲线。(C) MAPbBr3在DMF中的电化学过程。(D) 阳极溶液与KI和I2的的吸收光谱。插图中的照片为添加KI前后阳极表面溶液的颜色变化。(E) 阴极表面的SEM图像。(F) Pb对应的EDS图。比例尺为1μm。 图3. (A) 器件制作工艺示意图。(B) 基于MAPbBr3的柔性器件的照片。(C) 不同电压下MAPbBr3的器件的照片。(D) 基于MAPbBr3器件的工作原理。(E) 在0到2.5 V间基于MAPbBr3的器件的吸收光谱图。(F) 黑线为基于MAPbBr3的器件在0 V下记录的透射光谱。红线是基于MAPbBr3的器件在2.5 V下记录两分钟后的透射光谱。插图中的照片显示了颜色的变化。(G) 基于MAPbBr3的器件在400 nm处的光响应时间。(H) 基于MAPbBr3的器件在不同波长下漂白(0 V, 20 s)和着色状态(2.5 V, 15 s)循环时透射率随时间的变化。 图4. (A) 不同浓度下MAPbBr3器件的透光率变化。(B) 不同浓度下铅的紫外吸收光谱。器件阴极表面的SEM图 (C) 20 mM, (D) 10 mM, (E) 30 mM, (F) 40 mM, (G) 50 mM。A-C的比例尺为200 nm, D-E的比例尺为2 μm。A插图中的比例尺为2 μm, D-E插图中的比例尺为200 nm。(H) 基于MAPbBr3的器件在0 - 3.0 V范围内的透射光谱。(I) 不同应用电压下铅的紫外吸收光谱。 05 文章小结 综上所述，基于有机-无机杂化钙钛矿MAPbBr3的电化学过程，开发了一种在可见光区完全可逆吸收的无色-黑色可逆颜色转换的开关器件。该器件的优点： （1）有机-无机钙钛矿材料可以形成在整个可见光谱上具有优越透过率的无色溶液； （2）MAPbBr3在电子转移过程中，发生氧化还原反应产生了Pb和Br2。该器件可以在整个可见区域上着色和漂白，实现无色与黑色之间的可逆颜色变化，其综合对比度在400-800 nm高达73%； （3）通过控制钙钛矿的浓度和施加电压，可以调节铅的微观结构，使得器件的对比度在400-800 nm波长范围内有效地调节。此实验结果表明，利用钙钛矿的电化学过程可以实现可逆的颜色切换，这将为开关器件的进一步开发提供有益的启示。
相关论文信息 论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文 论文标题： Colorless to black switching with high contrast ratio via the electrochemical process of a hybrid organic–inorganic perovskite 论文网址： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.358 DOI:10.1002/cey2.358
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