CsPb(Br1?xClx)3薄膜的高效热蒸发及其在光无线电力传输中用于光伏电源转换器的光电性能

《physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters》：High-Rate Thermal Evaporation of CsPb(Br1?xClx)3 Thin Films and their Optoelectronic Properties for Photovoltaic Power Converters in Optical Wireless Power Transmission

钙钛矿薄膜通过调控Cl/(Cl+Br)比例实现2.38-2.76 eV带隙可调，最佳比例0.58时455 nm蓝光吸收最佳，沉积速率达100 nm/min。后处理优化使载流子扩散长度达3.91 μm，原型光伏器件在AM1.5和455 nm单色光下效率分别为1.38%和11.7%，为光无线传输系统提供潜在材料，需进一步优化界面工程。

　　这项研究聚焦于一种新型的宽禁带钙钛矿材料——铯铅溴氯化物（CsPb(Br_1?xCl_x)₃。这种材料具有高度可调的带隙特性，使其在特定的光电器件中展现出独特的优势。研究者通过热蒸发技术，利用单一粉末蒸发源，实现了该材料的高沉积速率，并通过调整源材料的组成，精确控制了沉积薄膜中的氯/（氯+溴）比例（x），从而实现了从2.38 eV到2.76 eV的带隙调控。这种调控能力对于开发适用于光学无线电力传输（OWPT）系统的高效光伏转换器至关重要，因为OWPT系统通常需要特定波长的光源与合适的吸收材料进行匹配，以提高能量转换效率。

在OWPT系统中，通常使用激光或发光二极管作为光源，而光伏转换器则作为将光能转化为电能的核心组件。为了实现高效的能量转换，吸收层的带隙需要与光源的波长相匹配。研究表明，波长在455 nm（蓝光）的光源因其高效率的特性，被广泛认为是OWPT系统中的理想选择。然而，传统钙钛矿材料的带隙往往无法完全匹配这一波长，因此需要寻找新的材料或优化现有材料的带隙特性。CsPb(Br_1?xCl_x)₃因其可调带隙的特性，成为一种极具潜力的候选材料。

通过实验，研究团队发现，当x为0.58时，材料的带隙达到了2.73 eV，这与蓝光光源的光子能量非常接近，理论上可以实现高效的能量转换。同时，研究还发现，该材料的沉积速率可达约100 nm/min，远高于传统溶液法沉积的效率。这一成果为大规模制备高质量钙钛矿薄膜提供了新的技术路径。然而，尽管沉积速率较高，该材料在实际应用中仍面临一些挑战，尤其是在电学性能方面。研究团队通过后沉积退火和水分吸收处理，显著提升了材料的电荷迁移率和载流子扩散长度，其中在蓝光照射（400 nm，600 μW/cm^?2）下，载流子扩散长度达到了3.91 μm，这一数值表明材料在光吸收和电荷传输方面具有良好的性能。

此外，研究团队还利用CsPb(Br_1?xCl_x)₃材料制作了一个初步的光伏转换器原型。在标准光源AM 1.5 G（100 mW/cm^?2）照射下，该转换器的功率转换效率为1.38%，对应的开路电压为1.24 V，短路电流密度为2.19 mA/cm^?2，填充因子为0.51。而当使用单色455 nm蓝光照射时，转换效率估计为11.7%。这些数据表明，CsPb(Br_1?xCl_x)₃在蓝光吸收方面具有良好的潜力，可以作为OWPT系统中的高效吸收层。

然而，尽管材料在带隙调控和沉积速率方面表现出色，其实际应用仍受到一些因素的限制。例如，该材料的量子效率在短波长区域（<375 nm）相对较低，主要归因于纳米晶氮化镓（nc-GaN）电子传输层中存在寄生吸收现象，这可能对蓝光转换效率产生不利影响。此外，虽然材料的载流子扩散长度在实验条件下达到了3.91 μm，但在更实际的光照强度下，其扩散长度有所下降，这表明在更高功率密度的应用场景中，材料的电荷收集能力可能成为限制因素。研究团队指出，这些性能的提升仍然需要进一步优化，尤其是在电子传输层与钙钛矿吸收层之间，以及钙钛矿与空穴传输层之间的界面工程。优化这些界面特性被认为是提高整体转换效率的关键。

研究还通过X射线衍射（XRD）分析了材料的晶体结构，结果显示，经过热蒸发和退火处理后，沉积的薄膜具有更高的晶体质量和更优的取向性。这表明，虽然原始粉末材料中存在一些未反应的副产物，但热蒸发过程有效地去除了这些杂质，使得最终的薄膜结构更加纯净。同时，化学成分分析表明，薄膜中的氯/（氯+溴）比例与源材料基本一致，说明在热蒸发过程中，材料的组成得到了良好的保持。

在光学性能方面，研究团队利用紫外-可见（UV-Vis）光谱分析了材料的吸收特性，并通过傅里叶变换光电流光谱（FTPS）进一步研究了其亚带隙吸收行为。实验结果表明，该材料在可见光范围内具有显著的吸收能力，且吸收系数远高于传统钙钛矿材料。此外，亚带隙吸收峰的出现也表明，材料中存在一定的缺陷态，这些缺陷态在一定程度上影响了其光电性能。然而，通过热蒸发和后处理技术，研究团队成功地优化了材料的结构和性能，使其在特定波长下表现出较高的吸收效率。

研究团队还通过模拟和实验相结合的方式，评估了该材料在实际应用中的潜力。他们发现，当带隙为约2.73 eV时，该材料的理论转换效率达到峰值，表明其在蓝光吸收方面具有较高的适用性。然而，实际转换效率仍低于理论极限，这提示需要进一步研究和改进材料的界面性能，以减少能量损失并提高转换效率。此外，研究团队指出，随着带隙的增加，电压效率也随之提高，这表明在特定的光谱条件下，宽禁带钙钛矿材料可能展现出更高的能量转换能力。

从实验方法来看，研究团队采用了机械化学合成技术来制备源材料，这不仅提高了材料的纯度，还简化了后续的沉积过程。通过热蒸发技术，他们成功实现了大面积、均匀的薄膜沉积，这在传统的溶液法中往往难以实现。此外，研究团队还优化了退火和水分吸收处理工艺，以提高薄膜的结晶度和电荷传输性能。这些工艺优化为后续的光伏器件制造奠定了基础，也表明热蒸发技术在钙钛矿薄膜制备中的可行性。

在实际应用中，该材料的性能表现仍需进一步提升。例如，尽管其在蓝光下的转换效率较高，但与理论值相比仍有较大差距。研究团队认为，这主要是由于界面问题的存在，如电子传输层与钙钛矿吸收层之间的势垒效应。这种势垒可能阻碍电荷的有效传输，从而降低整体效率。因此，未来的研究重点应放在优化这些界面特性上，以实现更高的能量转换效率。

此外，研究团队还探讨了该材料在不同光强条件下的表现。他们发现，在较低的光强下，材料的载流子扩散长度较高，而在较高光强下，扩散长度略有下降。这表明，材料在高光强下的电荷收集能力可能受到一定限制，因此在实际应用中，需要进一步研究材料在高功率密度条件下的稳定性与性能表现。

总的来说，这项研究为宽禁带钙钛矿材料在OWPT系统中的应用提供了重要的理论依据和实验支持。通过热蒸发技术，研究团队成功制备了高质量的CsPb(Br_1?xCl_x)₃薄膜，并实现了对带隙的精确调控。虽然目前的转换效率仍需进一步提升，但该材料在蓝光吸收和载流子传输方面的表现已显示出其在光学无线电力传输中的巨大潜力。未来，随着对材料界面特性的深入研究和优化，该材料有望成为下一代高效光伏转换器的重要组成部分。