麻省理工学院的一组联合研究团队开发出一种可用于太阳能电池和光源等设备的下一代光电材料的新材料。该最新研究成果论文发表在最近的《自然化学》上。
这种新材料称为杂化钙钛矿材料（hybrid perovskite materials），具有微材料电子性能的能力。该材料被归类为“杂化型”，或“混合型”，因为它们包含无机成分（如金属）以及组织成纳米级层的有机分子（如碳和氮）。研究表明，通过改变有机层的组成，可以调整钙钛矿吸收的光的颜色以及材料发出光的波长。重要的是，这样的材料是在基本上不改变无机成分的情况下即可完成这一目标。
论文研究主导之一、论文共同通讯作者、麻省理工学院能源研究Will Tisdale教授说，“直到现在，大多数实验和理论证据表明，有机层只是充当惰性间隔物，其唯一作用是分离电子活性无机层，” “该新结果表明，我们可以教有机层做更多的事情。”
钙钛矿是具有通式ABX3结构的一类化合物，其名称源自于同名矿物钙钛矿（CaTiO3）。除了CaTiO3外，还有BiFeO3、CsPbI3等也具有这一结构。钙钛矿是大约200年前在乌拉尔山脉首次发现的天然矿物质，在确定可以将光转变为可用电之后的十年中，科学家们对钙钛矿进行了深入的研究。这些材料被认为可能是未来实现可持续能源的关键，因为它们的制造成本低于目前流行的硅基太阳能电池，并且可以将光能转化为电能的效率几乎相同。科学家相信，这个大约200年前发现的钙钛矿，将可能是下一个太阳能电池革命的颠覆者。
然而，由于钙钛矿太阳能电池对热和湿气的敏感性，它们在室外条件下的耐用性和稳定性要差得多。科学家最近发现，将钙钛矿的传统三维结构分成许多从几个原子厚到几十个原子厚不等的薄层，可以提高其稳定性和性能。
在层状钙钛矿中，无机层吸收光并最终产生电能所需的电荷。有机层通常是绝缘的，防止光产生的电荷移出无机层。
研究人员表示，这项研究之所以令人兴奋，是因为钙钛矿的无机层中的激子如何受到有机物的性质的影响，对钙钛矿合成的模块化方法，使我们能够通过实验光谱学可以控制调节这些层之间的相互作用，并研究其对激子动力学的深度影响。
当光被钙钛矿等半导体吸收时，带负电荷的电子会吸收能量并移走。由于物质想要保持中性，这会在它们留下的带正电荷的位置上建立吸引力。所以能够通过在有机层中掺入特定类型的分子来控制这种作用力的大小，从而改变了它们的有趣的属性。
这种微调材料的电子性能的能力将可应用于各种光学或电子传感器，包括利用有机层存在的分子传感器，以及太阳能电池和光探测器。
Tisdale教授认为：“除了指出改进光电子器件的一条途径外，该研究成果还强调了纳米级半导体具有的一些独特优势，它们比通常的材料对周围的环境更为敏感。” “这个在混合层状钙钛矿中所掌握到的认知可以扩展到许多其它新兴材料。”