研究人员证实硫系钙钛矿的发光效率

研究人员发现有望的发光特性和不寻常的晶体结构，或可推动未来光子器件发展。

研究人员已通过实验证明，硫系钙钛矿的发光效率高于此前测量结果所显示的，这进一步增强了研究这类材料以用于未来太阳能电池、光电探测器和其他光电器件的理由。

该团队由瑞士 Empa 研究所的 Mirjana Dimitrievska 领导，与柏林亥姆霍兹材料与能源中心的研究人员及其他合作伙伴合作。他们的研究考察了硫化锆钡，这是一种硫系钙钛矿；Empa 表示，研究人员此前尚未通过实验证明其发光特性。

结果也揭示了一个挑战。尽管单晶表现出相对较强的发光，但合成和加工过程中引入的缺陷显著抑制了薄膜中的同一特性。

测量光输出

钙钛矿是由其晶体结构而非某一特定化学组成来定义的。虽然卤化物钙钛矿在太阳能电池领域受到广泛关注，但硫系钙钛矿正作为替代材料被研究，因为它们将可能有用的光学和电子特性与更高的材料稳定性以及地壳中储量丰富的组成元素结合在一起。

挑战一直在于确认其预测特性是否能转化为可测量的性能。Empa 报告称，迄今为止，硫系钙钛矿的发光效率尚未得到实验证明。

为了研究这种材料，研究人员使用先进光谱技术测量了在柏林亥姆霍兹中心制备的硫化锆钡晶体的光致发光。光致发光是指材料吸收能量后发出光的现象。研究结果发表在《先进光学材料》上。

测量显示，该单晶具有相对较强的发射，与理论预测一致。然而，薄膜的光致发光明显较弱。这一差异很重要，因为有前景的材料最终必须被合成并加工成实用的器件结构。

这些步骤中引入的缺陷会破坏高效发光所需的电子过程，即使材料的基础晶体结构有利，也可能限制其性能。因此，研究人员的发现既提供了一个积极结果，也带来一个开发挑战：该材料的本征潜力看起来很有前景，但制造工艺还需要进一步改进。

太阳能之外的潜力

研究人员正在探索硫系钙钛矿在太阳能电池和光电探测器等应用中的用途。其稳定性和组成元素可能使其成为光电子技术有吸引力的候选材料，尽管相关研究仍处于早期阶段。

新的测量有助于研究人员区分材料固有的限制与由合成或加工造成的限制。光谱分析可以揭示性能不佳是源于材料本身的缺陷，还是原型器件中的其他问题，从而帮助指导后续改进。

Empa 强调，硫系钙钛矿要准备好投入实际应用，仍有大量开发工作要做。这些结果展示的是单晶中有前景的发光，而不是一种商业上可行的太阳能电池，也不是太阳能转换效率已获证实的提升。

意外结构引起关注

研究人员还在研究合成过程中出现的第二项进展。当硫系钙钛矿由其组成元素制备时，除了目标晶体材料外，还可能形成具有六边形横截面的微小针状结构。

这些结构此前被视为不受欢迎的副产物，但它们已展现出不同寻常的光学特性，包括以独特方式偏振、折射和传导光的能力。它们还可能具有作为超导体和量子材料的潜力。

在瑞士国家科学基金会通过其国际 Weave 计划的支持下，Dimitrievska 的团队正与德国埃尔朗根-纽伦堡大学（弗里德里希-亚历山大大学）合作，研究这些结构、改进其合成并更好地理解其特性。

研究人员的最终目标是将这些针状材料集成到初步的光子和电子元件中。这两个研究方向共同表明，对材料行为的更深入理解如何能在光电子学中开辟新的可能性。

硫系钙钛矿仍面临重大工程挑战，但通过实验确认其发光特性，为判断哪些方向值得进一步开发提供了更坚实的基础。

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