OEA | 用于光发射和光检测的新型钙钛矿电化学电池【俄罗斯阿尔费罗夫大学和圣光机大学联合团队】

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Opto-Electronic Advances

2023年第9期论文推荐

俄罗斯阿尔费罗夫大学（Alferov）和圣光机大学（ITMO）研究团队合作报道的钙钛矿电化学电池，具有简单的结构和设计，用硅衬底、多功能的单一复合层取代了传统钙钛矿发光二极管的多层结构。该电池不仅具有出色的发光和光检测"双重功能"特性，还加强了运行中的热耐用性，并且有助于解决工业中的铟缺乏问题。

文章 | Baeva M, Gets D, Polushkin A, Vorobyov A, Goltaev A et al. ITO-free silicon-integrated perovskite electrochemical cell for light-emission and light-detection. Opto-Electron Adv 6, 220154 (2023).

第一作者：Maria Baeva

通信作者：Ivan Mukhin, Sergey Makarov

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研究背景

卤化物钙钛矿发光器件在高效率、高色纯度和宽色域等方面具有优异的性能，但其工业集成通常受到器件多层结构的技术复杂性以及操作中引起的热不稳定性的影响。卤化物钙钛矿发光电化学电池（PeLECs）是一种新型的钙钛矿光电器件，它与钙钛矿发光二极管的不同之处在于它具有简单的单层结构。

研究亮点

俄罗斯阿尔费罗夫大学（Alferov）和圣光机大学（ITMO）研究团队合作报道的钙钛矿发光电化学电池，由硅衬底、多功能单一复合钙钛矿层（卤化物钙钛矿微晶、聚合物支撑基质和添加的可移动离子的混合物）和透明单壁碳纳米管膜顶部接触组成。由于硅具有良好的导热性，与传统的氧化铟锡（ITO）/玻璃基板相比，该器件在运行过程中承受的热量降低了40%。此外，当对器件施加正偏压时，它在523 nm（绿色）下的亮度超过7000 cd/m2。当给该器件施加负偏压时，它可作为光电探测器工作，在波长为蓝光和紫外光的区域内，灵敏度高达0.75 A/W，比探测率为8.56×1011 Jones，线性动态范围为48 dB。这种设备的技术潜力已经通过 24像素指示器显示屏得到了证明，并且通过创建最小特征小于50 μm的电致发光图像，成功实现了设备的小型化。

图 1 双功能钙钛矿硅集成电化学电池

钙钛矿发光电化学电池是替代传统钙钛矿材料用于设计研究发光二极管的可行方案。钙钛矿发光电化学电池不仅具有更简单的结构和设计，用单一功能层取代了钙钛矿发光二极管的多个活性、电荷分离和传输层，且其具有LED的所有优异性能，如高效率、高色纯度和广色域等。钙钛矿发光电化学电池能够做到这一点的原因是：当给器件施加电偏压时，钙钛矿层内部的可移动正负离子向相应的电极动态迁移，在钙钛矿层内部动态形成p-i-n结构，从而实现利用光子发射进行有效的电子-空穴复合。这与LED的工作原理完全不同。研究传统LED技术的各种替代方案，将为多样化的工业实现注入宝贵的活力。

所报道的设备不仅具有出色的发光和光检测"双重功能"特性，还增强了运行中的加热耐用性。之所以能做到这一点，是因为在设计钙钛矿发光电化学电池时使用了硅衬底。硅材料是互补金属-氧化物-半导体技术（CMOS 技术）的基石之一，该技术用于制造所有半导体芯片和显示器等。钙钛矿材料等新兴材料与硅的结合，使研发界距离获得工业化的钙钛矿发光电化学电池更近了一步。

此外，从更广泛的背景来看，该设备设计方法的优势在于其基于单壁碳纳米管的不含氧化铟锡（ITO）的透明电极。ITO被广泛应用于钙钛矿光伏和光电子领域，但铟是一种耗竭性元素，因此用其他基于地球富集元素的材料取代 ITO 将有助于解决工业中的铟缺乏问题。

该工作以“ITO-free silicon-integrated perovskite electrochemical cell for light-emission and light-detection”为题发表在Opto-Electronic Advances（光电进展）2023年第9期。

研究团队简介

该项目是位于俄罗斯圣彼得堡的阿尔费罗夫大学（Alferov）和圣光机大学（ITMO）之间密切合作的成果。一方面，Alferov大学 Ivan Mukhin 教授研究小组，即可再生能源实验室，它的目标是通过创新的设备设计（柔性和可拉伸电子设备）以及材料合成和制造方面的独创理念（利用半导体纳米线等低维结构的优势），拓展传统半导体（Si和 III-V 族半导体）在电子和光电子学的领域。另一方面，ITMO 大学Sergey Makarov教授的研究小组，即混合纳米光子学和光电子学实验室，其不仅专注于卤化物钙钛矿光子学和非线性光学领域的基础研究，还致力于钙钛矿光伏和光电器件的开发、稳定性改进和工业集成。

Maria Baeva

Ivan Mukhin

Sergey Makarov

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