一维晶体结构材料及其光电器件

无机材料按照其内部成键(或其相互作用力的强弱)区分,可分为三维材料,即在三个方向上其组分原子之间都具有很强的离子键或者共价键,如硅、氧化锌、氯化钠、铯铅溴等;二维材料即两个方向上其组分原子具有强的相互作用,但在另外一个方向上其相互作用较弱,例如通过范德华力连接,典型材料有石墨、硫化钼、云母等;一维材料即只有一个方向上有离子或者共价键,另外两个方向都是弱的范德华作用,典型材料有本课题组重点研究的硒化锑(Sb2Se3)以及碲(Te)、硫化铋等。由于其独特的晶体结构,此类材料在薄膜生长、电荷输运、晶界物理、掺杂控制等方面展现出许多与众不同的性质,例如其薄膜生长区别于经典的岛状和层状生长,是匍匐生长和站立生长;其电荷传输是方向依赖的强各向异性;其晶界在取向合适时本征惰性;其金属掺杂极易进入一维链间而形成填隙类的N型掺杂。因此,以硒化锑为代表的一维晶体结构材料具有许多独特的物化和光电性质,具有很好的科学研究价值。技术上,基于一维材料良好的定向电荷输运能力,以及其极好的抗弯折能力,其在光电探测成像和柔性太阳能电池方面具有显著的相对竞争优势。



本课题组自2012年开始进行硒化锑薄膜太阳能电池研究。硒化锑是一种二元单相化合物,由于其原料储量大、毒性低、价格便宜,带隙合适(1.13 eV),吸光系数大(>105cm-1)、长晶温度低、弯折性能好,非常适合在高分子衬底上制作新型低成本低毒、轻质高效稳定的柔性薄膜太阳能电池,以应用于物联网传感器的供能。目前硒化锑薄膜电池的认证效率已经达到9%,且稳定性和柔性都非常出色,展现出较好的应用前景。课题组也进一步开发其他一维各向异性材料,以应用于红外探测等领域。