《含孤对电子的新型半导体材料缺陷调控和光电器件研究》

该项目属于半导体光电子器件与集成学科。

光电器件包括太阳能电池、光电探测器、发光二极管等,在新能源、电子设备、照明与显示等关乎国计民生的领域有着重要应用,也是材料、电子、能源和化学领域的研究前沿和热点。高质量的材料是实现高性能器件的前提,而材料的创新是实现变革性光电器件的关键,即“一代材料,一代器件”。在国家自然科学基金等项目的持续支持下,申请团队以实现高性能光电器件为根本目标,选择以PbS量子点和APbX3型钙钛矿卤化物(A为一价有机阳离子,X为卤素阴离子)为代表的含有孤对电子的新型半导体开展研究工作。因为孤对电子存在ns2-np6的强耦合作用,其参与的反键轨道贡献价带,而典型的空位和替位缺陷等缺陷能级不易进入禁带,材料具有高缺陷容忍的本征优势,有利于获得高性能的光电器件。此外,由于孤对电子的空间位阻效应,其材料生长和表界面也展示出区别于传统材料的新特性。申请团队主要发现和贡献包括:

1)发现了前驱物所含卤素对PbS量子点的生长和表面钝化的影响规律,提出了原位卤素钝化合成高质量PbS量子点的新方案,揭示了石墨烯调控PbS量子点薄膜载流子输运性能和功函数的机理,获得了高效率的量子点太阳能电池,进一步将PbS量子点薄膜作为空穴传输层应用于钙钛矿太阳能电池实现了光谱吸收的拓展。

2)揭示了含孤对电子铅基卤素钙钛矿纳米线取向生长的关键影响机制,在国际上首次实现了钙钛矿纳米线的定向排列,同时发展出高效表界面缺陷的钝化方法,率先实现了低噪声的钙钛矿偏振光电探测器和高开压的反式结构钙钛矿太阳能电池。

3)为实现无铅化,进一步发展出含有孤对电子的新型铋基和锑基半导体,揭示了生长化学势对半导体缺陷性质的影响规律,率先制备出铋基类钙钛矿量子点和锑基化合物薄膜太阳能电池,被评价为实现了“非铅钙钛矿发光效率记录”。

研究成果被MIT、Harvard、英国卡文迪许实验室等学术机构引用和跟踪研究,被加拿大皇家科学院和工程院双院院士/AAAS Fellow/IEEE Fellow/多伦多大学Sargent教授、英国皇家学会和皇家工程学会会士Prof.Richard Friend爵士、美国国家科学院院士/AAAS Fellow/胶体量子点领域开创者之一麻省理工学院Bawendi教授等评价为“首次展示钙钛矿偏振光探测”,“前所未有的灵敏度”,“实现荧光效率数量级的提升”,“非铅钙钛矿发光最高效率”等,同时英国皇家化学会会士、伦敦大学学院David O.Scanlon教授在综述性文章中引用申请人多个工作作为典型案例证明孤对电子半导体的独特光电特性和优异应用前景,是对申请人科学发现的重要支撑。8篇代表作SCI他引738次,4篇入选ESI高被引论文,2篇入选ESI热点论文,培养了杰青、优青、楚天学子等优秀人才。

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