Chem. Mater.综述：离子掺杂成为钙钛矿材料改性的新途径

铅基卤化物钙钛矿具有光吸收系数高、载流子扩散距离长、带隙可调等优异的光电性能以及低成本加工的特点。基于钙钛矿制备的太阳能电池光电转化效率已由2009年的3.8%提升至2018年的23.3%，同时钙钛矿在LED、激光器及光探测器等其他光电子器件领域取得了重大突破，已经成为备受关注的新一代半导体光电材料。然而，相变、空气稳定性和光稳定性差等钙钛矿材料固有的本征特性仍阻碍着其通往商业化的道路。

离子掺杂技术是半导体材料改性的重要手段，其主要策略是在材料中引入杂质离子实现光、电、磁等特性的调控。在过去的几年中，离子掺杂技术在调控卤化物钙钛矿的性能上受到广泛的关注。多种金属离子已经成功掺入卤化物钙钛矿中，在改善材料的光电性能、提高结构稳定性等发面发挥了巨大作用。阿卜杜拉国王科技大学的Osman M. Bakr教授（点击查看介绍）课题组和苏州大学材化部的孙洪涛教授（点击查看介绍）课题组是最早通过掺杂调控铅基卤化物钙钛矿光电性质的课题组（J. Phys. Chem. Lett., 2016, 7, 295; J. Phys. Chem. Lett., 2016, 7, 2735）。近日，这两个课题组应Chem. Mater.主编的邀请，联合撰写了题为“Metal-doped lead halide perovskites: synthesis, properties, and optoelectronic applications”的综述文章，系统总结了离子掺杂技术在钙钛矿领域应用的最新研究进展。

图1. 掺杂离子的种类及其对卤化物钙钛矿的性质调控

首先，该文章按照主族金属元素掺杂、过渡金属掺杂和稀土掺杂的顺序，从材料合成方法和掺杂特性的角度详细介绍了各类掺杂金属离子对铅基卤化物钙钛矿性能的影响，具体包括：光电性质调控、晶体生长调控、结构稳定性调控及光转换四个方面。接着，文章系统总结了金属离子掺杂钙钛矿材料在光电子器件领域的应用，突出了离子掺杂技术在优化器件性能方面的优势。

文章也归纳了两个课题组近年来在钙钛矿掺杂领域中的研究结果。具体包括：

1. Bi³⁺离子掺杂对卤化物钙钛矿光电特性的调控：利用Bi³⁺离子掺杂实现了铅基卤化物钙钛矿在近红外波段的超宽带发光（800-1600 nm），且提出了双极化子模型来解释这一近红外发光现象；基于Bi³⁺掺杂钙钛矿多晶薄膜实现了全通讯窗口的电致发光。另外，Bi³⁺掺杂作为异价离子掺杂对钙钛矿材料的本征光电特性具有巨大影响，研究表明，其显著提高了钙钛矿材料的导电性、自由载流子浓度以及电荷转移效率（J. Phys. Chem. Lett., 2016, 7, 295; J. Phys. Chem. Lett., 2016, 7, 2735; J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 2591; Optics Express, 2017, 25, 33283; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 731）。

2.Ni²⁺离子掺杂实现钙钛矿纳米晶近100%的紫光发射效率：根据Ni²⁺极易形成八面体配位的特性，利用Ni²⁺掺杂有效地抑制钙钛矿内部结构的缺陷，提高缺陷形成能，进而增加钙钛矿结构的短程有序性，使CsPbCl₃纳米晶的发光效率提升至96.5%。值得注意的是，该方法具有良好的普适性，在CsPb(Cl,Br)₃纳米晶体系中同样适用（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 9942）。

在文章的最后，作者对离子掺杂技术在钙钛矿领域的应用进行了展望，指出需要进一步明确掺杂钙钛矿材料的结构信息（如掺杂离子的占位和分布状况）、丰富掺杂离子的种类及功能性以及扩展钙钛矿基质的材料类型等，这些科学问题的解决将对钙钛矿材料更广泛的应用起到积极的促进作用。

该论文作者为：Yang Zhou, Jie Chen, Osman M. Bakr and Hong-Tao Sun

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Metal-doped lead halide perovskites: synthesis, properties, and optoelectronic applications

Chem. Mater., DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b02989

导师介绍

Osman M. Bakr

http://www.x-mol.com/university/faculty/49639

孙洪涛

http://www.x-mol.com/university/faculty/12942