【材料科技】光可以治癒材料?

■近年來在太陽能及光電領域出現了一個相當熱門的材料:Perovskite,更有研究發現光照可以讓其內部缺陷減少,好像材料被光「治癒」了。

620撰文|方程毅

要解釋光「治癒」的現象就必須從材料本身開始講起:Perovskite。這個字的原意是鈣鈦礦,其化學式為 \ CaTi O_{3} ,英文字如此奇怪是因為這是以發現者,來自俄國的科學家Lev Perovski命名。在往後材料科學發展,凡是晶體結構與 \ CaTi O_{3} 一樣的結構都稱為Perovskite structure,其通式為 \ AB X_{3} ,A、B為兩種陽離子,X為陰離子,例如: \ MgSi O_{3}

除了無機化合物,在光電領域上也出現了有機Perovskite,通式 \ AB X_{3} 中,A為有機物、B為金屬而X則為鹵素族,例如: \ CH_{3} NH_{3} PbI_{3} \ CH (NH_{2}) _{2} SnI_{3} 。這些材料被視為未來低成本高效率太陽能電池、LED或雷射等元件的候選材料。學術一點來說是因為其具有高移動力載子 (high charge carrier mobility)及較長的生命週期 (charge carrier lifetime)。在太陽能電池中這兩個性質非常關鍵,因為材料照光後會產生電子電洞對,電子電洞的移動力強且生命週期長代表能夠有效率地蒐集電子及電洞。除此之外Perovskite的製備過程較矽晶太陽能電池簡單的多,矽晶太陽能電池需要高溫且在無塵室進行的半導體製程,但Perovskite可以在較低溫環境下[註]利用化學反應製成,製備成本相對低廉。

但,有機材料都有個問題,就是材料缺陷多及不可預測性高。不可預測性高的壞處應該不需多加解釋,但缺陷多就很有學問了,缺陷會讓吸進來的光無法轉成我們需要的電能,也因此科學家無不極其所能減少材料內部缺陷,要減少缺陷的方法很多,例如:熱處理、化學反應或電處理等等。來自美國西雅圖華盛頓大學、英國牛津大學及麻省理工學院等多所大學合作的研究團隊發現利用「光照」也可以讓Perovskite缺陷變少,相較於以往認為減少缺限制勢必要接觸材料本身,這種非接觸即可治癒材料的方法可以說相當新奇,他們將研究結果發表在《自然‧通訊》期刊上(Nature Communications)。

論文中提出光照治癒材料的機制,這裡簡單說明。晶體中「缺陷」是指原子(離子)不乖乖待在自己的座位上而跑到其他地方。這項研究針對的材料是 \ CH_{3} NH_{3} PbI_{3} (A為 \ CH_{3} NH_{3} 、B為Pb、X為I)。以材料中的碘離子來說,假設有一個碘離子不待在自己位置上而跑到其他位置,這時便產生兩個缺陷,一個是亂跑的碘離子;另一個則是原本應該給碘離子坐的位置,現在變成一個「空位」。因為晶體必須保持電中性,所以碘留下的空位會帶正電。這些空缺都是讓光電元件效率減低的原因。

但是,當一道充滿治癒能量的光輝照射到材料上時,晶體內部會產生電子與電洞,此時一部分電子會被帶正電的碘空位吸引,同時碘離子也因為光提供能量而開始移動,帶負電的碘離子自然而然就被帶正電的空位吸引,而回到他應有的位置上,缺陷也就被消滅了。

研究團隊在論文中利用許多測量證明這個推論,而值得一提的是,能減少材料缺陷充滿治癒能量的光輝並沒有很特別,不需要使用雷射或特別聚焦的光束,其強度只需要太陽光照射到地表上差不多即可。

這項研究對於了解Perovskite內部缺陷的行為進行相當深入的探討,由於以往並不清楚光照之後離子在晶體內部移動的行為及效果,因此研究團隊提出的光照治癒機制極具價值,對於減少缺陷,增加Perovskite光電元件的效率也是一大福音。相較於其它讓材料減少缺陷的機制,光束照射即能減少缺陷最大的優點即是「非接觸」,既不用外加電場或磁場,更不需要浸泡到化學溶液或接電極,能保持材料結構不受到破壞或影響。

[註]這裡的低溫並不是我們想像寒冷的低溫,而是相較於半導體製程動輒上百甚至上千的溫度,Perovskite可以在100°C以下完成。

原始論文與圖片出處:Zhang, Wei, et al. "Photo-induced halide redistribution in organic-inorganic perovskite films." Nature communications 7 (2016).

參考資料:

  1. Saparov, Bayrammurad, and David B. Mitzi. "Organic–Inorganic Perovskites: Structural Versatility for Functional Materials Design." Chemical reviews 116.7 (2016): 4558-4596.
  2. MIT NEWS: Light can “heal” defects in some solar cells
  3. Wikipedia:Perovskite (structure)

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作者:方程毅 台大材料畢,目前於UCSD博士班掙扎中。科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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