鈣鈦礦(Perovskite)基材已被拉攏到太陽能光伏效應(PV)的太陽能電池(Solar Cell)產業,這是由于基于鈣鈦礦材料將輕易制造對抗溫室效應的解決方案,加上該材料的轉換效率從2009年僅僅3.8%提升到2014年超過20%,因此鈣鈦礦材料制作而成的太陽能電池,在2016年可望進入商用市場。
鈣鈦礦也有很多其他的可調諧半導體特性,如高溫超導(High-temperature Superconductivity)、龐大的磁阻、鐵電,以及多樣化的磁性與光電性能。這讓研究人員思考--若是硅太陽能電池可以也被制作成不同的半導體芯片,為何鈣鈦礦基材不行呢?
早期研究人員曾嘗試從材料制造場效晶體管(FET),然而得到“有限的成功”,這是根據位于北卡羅來納州溫斯頓-塞勒姆的維克森林大學(Wake Forest University)教授Oana Jurchescu的研究結果,Jurchescu教授也聲稱他的研究小組是第一個成功利用鈣鈦礦鹵化物(Halide-Perovskite)制作出場效晶體管的團隊。這可能在靈活性、低成本、低功耗的光電半導體開創一個新紀元,類似于互補式金屬氧化物半導體(CMOS)在彈性的基板上處理光訊號。

CH3NH3PbI3-xClx混合鈣鈦礦鹵化物晶體結構。鉛(黃色球)和鹵化物(I/CI,粉紅球)各別位在八面體的中心和角部,有機陽離子則位于空隙。
Source:維克森林大學,2015
“混合鈣鈦礦鹵化物場效晶體管(HHP-FET)能促進光電互補的發展。”Jurchescu教授告訴EETimes。他也補充說明,這項工作是與猶他州立大學(University of Utah)共同合作。
從光學角度切入,因為“發光二極管(LED)基于這些媲美市場上最好的化合物。”這是根據Jurchescu教授的說法。此外,HHP-FET半導體也可表現出波長可調光致發光(Photoluminescence,PL)發射,包括制造電泵浦雷射,以及有擴散長度數百微米的電荷載體。該材料具有自旋相關 (Spin-related)屬性,盡管基于較強的自旋-軌跡(Spin-orbit)耦合而有相對短的自旋壽命。
好消息是,Jurchescu教授能夠以同樣的載體流動性,展示互補的N型(N-type)與P型(P-type)組件,讓類CMOS(CMOS-like)鈣鈦礦半導體能在未來問世。壞消息則是,Jurchescu教授目前的原型顯示出一個1cm2/Vs電子遷移率,相較于硅材料的1,400cm2/Vs的電子離動率,可說慘淡許多。然而,理論上HHP-FET最大的電子遷移率是2,000cm2/Vs--即使高過硅,但卻伴隨著300cm2/Vs的空穴遷移率(與硅材料的450cm2/Vs相比)。研究人員也發現HHP-FET在良率、可運作性及環定穩定性也比不上硅,這或許可從任何新的半導體材料預料得到。

基于混合鹵化物半導體層的FET結構示意圖,具有金源極和漏極接觸、CYTOP電介質和鋁柵電極。
Source:維克森林大學,2015

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