在对下一代高效太阳能电池和LED的永恒追求中，洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家及其合作伙伴正在创造创新的2D分层混合钙钛矿，可以更自由地设计和制造高效的光电器件。工业和消费者应用可包括低成本太阳能电池，LED，激光二极管，检测器和其他纳米光电器件。
“我们的材料是一种层状化合物，意味着它是一层具有纳米厚度的二维钙钛矿层(如一叠薄片)，二维钙钛矿层由薄有机层隔开，”Jean-Christophe Blancon说，第一作者今天在科学的第一版发行期刊上发表的论文。“这项工作可以推翻基于层状钙钛矿的设备设计局限性的传统观念。”
2D，近单晶“Ruddlesden-Popper”薄膜具有面外取向，因此通过平面器件中的钙钛矿层发生不受抑制的电荷传输。在钙钛矿层的边缘，新的研究发现了“层边缘状态”，这对于LED的高效太阳能电池(> 12%)和高荧光效率(几十个百分点)都是关键。通过这些层边缘状态自发地将激子(束缚电子 - 空穴对)转换成自由载流子似乎是改善光伏和发光薄膜层状材料的关键。
该团队研究了相纯的均质2D钙钛矿的光物理和光电性质。他们能够证明，薄膜具有将强结合电子 - 空穴对(激子)解离为层状钙钛矿边缘的低能态所提供的长寿命自由载流子的内在机制。
此外，一旦载流子陷入这些边缘状态，它们仍然受到保护，并且不会通过非辐射过程损失能量。它们可以有助于光伏(PV)器件中的光电流，或者有效地辐射重新组合以用于发光应用。“这些材料是量子混合材料，具有有机半导体和无机半导体量子阱的物理特性。我们刚刚开始了解二维钙钛矿中有机和无机组分的相互作用，这一结果证明了竞争物理可以产生独特的性质。物业，“洛斯阿拉莫斯物理化学和应用光谱学组的Jared Crochet说。
“这些结果不仅解决了钙钛矿系列的长期问题，而且涉及大量材料，其中边缘和表面状态通常会降低光电性能，现在可以通过化学设计和工程设计来实现有效的电荷流动和导致高效光电器件的能源，“负责洛斯阿拉莫斯材料合成与集成器件集团钙钛矿项目的Aditya Mohite说。
“二维混合钙钛矿继续令人惊讶。当我们第一次设计这些材料时，我们希望它们的高质量样品能够展现出新颖的光电特性，”西北大学的共同作者Mercouri Kanatzidis说。“好吧，他们已经这样做了，然后是一些。他们已经超出了我们的预期，并且被证明是真正令人惊叹的系统。我们只是抓住了那里的表面 - 抱怨双关语 - 在这个2D家族中我们预计继续兴奋。“
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