跨越鴻溝-從材料性能提升到器件實用性

引言

在基礎研究領域，材料性能提升一直是人們非常關注的問題。從具有高轉換效率的太陽能電池到靈敏度極強的探測器，科學家已經在許多材料體系中實現了性能的巨大突破。然而，從材料性能提升到發展器件的實用性之間依然存在著巨大的差距。一方面，個別性能指標的優異表面并不意味著能夠促進器件的實現真實場景應用。另一方面，新型的器件設計和功能的出現與相應性能指標的表現常常不存在正比的關系。因此，如何將實驗發現有效轉化為日常應用、促進技術進步，已經成為廣大科研人員所要面臨的巨大挑戰^[1]。

1.溶液加工型太陽能電池

在太陽能電池研究領域，盡管許多工作都取得了令人印象深刻的能量轉換效率，器件的低成本量產化依然是一個巨大的挑戰。除此之外，鈣鈦礦雖然產量豐富，也可以高效吸收可見光，但是其在熱、濕度、氧氣甚至是光的長期作用下容易降解。因此，鈣鈦礦太陽能電池的生產成本雖然可以大幅降低，但是器件的運行穩定性依然阻礙著電池器件的商業化發展。

英國的斯旺西大學的Paul Meredith以及Ardalan Armin^[2]發文總結了溶液加工型太陽能電池所面臨的實際問題。首先，文章指出目前太陽能電池取得的突破性效率數值都是基于面積小于1平方厘米的微型器件。從圖1中我們可以清楚地看到，目前還沒有器件可以同時保證面積可擴大化和轉換效率顯著提升。通過表征電流-電壓特性的肖克萊方程，我們可以通過幾個簡單的參數說明有機太陽能電池（OSCs）和鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在量產化方面存在的困難。

圖1 實驗室級別的有機（OSCs）/鈣鈦礦（PSCs）太陽能器件和大面積電池模塊在能量轉換效率方面的差異^[2]

首先是商用的透明導電電極（TCE）的方塊電阻通常為10-20Ω/sq，意味著電極collectionp ath的長度如果超過1厘米，將會造成顯著的功率損耗或者填充因子（FF）的減少。因此，使用非量產用的旋轉涂覆工藝制備的實驗室級器件可以達到很高的轉換效率，但是量產工藝制備的大面積太陽能電池卻會承擔功率損耗的風險。其次，活性層中點缺陷能夠減小總并聯電阻從而導致功率損耗。實驗室級別的薄層異質結太陽能電池活性層的厚度通常在100nm左右，點缺陷對其性能影響不是特別突出。然而，由于溶液加工的太陽能電池通常采用快速通量打印技術，缺陷密度高，使得功率損耗會隨著器件面積的增加而成指數形式的增長。第三點是，溶液加工的薄層結器件具有厚度非均一性的問題，特別是由多晶鈣鈦礦組成的PSCs，其層面可能更加粗糙。而厚度均一性變差，則會影響載流子的產生以及串并聯電阻。

除了降低成本以及提高效率以外，增強器件穩定性以延長使用壽命也是新型太陽能電池商業化需要解決的關鍵問題之一。以PSCs為例，鈣鈦礦單片電池的效率目前可以達到23%左右，生產成本也只有晶體硅的一半，但是截至18年，已見報道的PSCs的最長使用壽命只有一年左右，大大短于商用的硅基光伏器件。器件穩定性與三個因素相關。第一個因素是材料的吸濕性。研究發現無機鈣鈦礦如CsPbI₃在日常濕度環境中容易發生降解。濕度能夠高效引發晶格空穴，降低成核的自由能壘，在室溫下觸發CsPbI₃從α相轉變成無光活性的δ相^[3]。其次，溫度對鈣鈦礦的晶體結構和相也具有很大影響。根據國際標準，太陽能模塊在運行期間將暴露在高溫下，因而要求太陽能電池必須有高達85℃的熱穩定性。但PSCs受到高溫會導致活性層形貌不穩定，致使器件退化減退使用壽命。此外，離子遷移也是影響穩定性的重要因素。有機-無機雜化鈣鈦礦材料中的有機和鹵素離子遷移活化能較低，即使在室溫下也會通過缺陷和晶界實現長距離的遷移，因此尋找有效抑制離子遷移的方法成為解決鈣鈦礦材料及器件穩定性問題的關鍵。

2.薄膜晶體管器件化

薄膜晶體管（TFT）在塑造現代生活中扮演了重要的角色，薄膜晶體管驅動的背板也一直處于顯示技術工業的核心位置。然而，隨著研究的日益多樣化，薄膜晶體管柔性、可拉伸透明大面積微電子器件領域的應用也受到了人們的廣泛關注。然而，為了在這類新興應用領域得到長足的發展，薄膜晶體管的研制需要發生深刻的變革來應對關鍵性能指標的要求。

圖2 ^[4]

第一個性能指標是載流子的遷移率（μ），其表征了帶電載流子在半導體中移動的快慢程度。如圖2所示，遷移率越大，晶體管質量越高，其應用領域也越多樣化。從這個角度看，碳基有機半導體與無機半導體比起來性能要差許多，然而，有機半導體同時卻有展現出優異的可加工性能。因此追求高載流子遷移性能是目前有機薄膜晶體管重要的研究方向。此外，為了適應更加多樣化的應用場景，通道微型化也是重要的指標參數之一。例如對于光學顯示來說，通過提高填充因子可以顯著優化顯示器的眩光、混色工藝。而增加像素填充因子的方法是減小薄膜晶體管的尺寸。通過縮短通道長度或者提升載流子的遷移性能（意味著減少通道寬度）均可以減小晶體管的尺寸。然而，通道微型化與晶體管遷移率之間并不都是相輔相成的關系。在長通道薄膜晶體管（大于5微米）中，由于尺寸足夠長到控制載流子的輸運行為，因此遷移率是能夠作為器件實用性的衡量指標的。但是，一旦通道尺寸減小，晶體管的運行效能就會被減弱并被注入接觸及其接觸電阻產生的勢壘所決定。

3.二維材料光電探測器

基于二維材料的光電探測器近年來持續受到科研人員的強烈關注。這類探測器在發展的過程中，為了體現對傳統探測器的顛覆性，需要解決與性能指標相關聯的眾多挑戰。其中最重要的性能就是探測靈敏度。而這一性能又與量子效率（quantum efficiency）、響應率（responsivity）以及噪聲電流（noise current）這三個指標直接相關。量子效率表示每一個入射光子所能產生的電學載流子數量。響應性表示每瓦光學能量對應的電流。而最終決定探測器靈敏度的是響應性和噪聲電流的聯合作用。目前多數文獻用散粒噪聲（shot noise ）來計算噪聲電流，而散粒噪聲在日常生活中并不常見。此外，石墨烯等二維材料所產生的閃變噪聲（flicker noise）已經成為器件的主要噪聲來源。另外非常重要的性能就是探測器的增益，一般用探測器速率作為指標。與視頻幀數類似，實際使用的探測器需要非常高的速率來維持其日常操作穩定性。器件增益與晶體管的通道遷移率以及載流子壽命成正比，而后者則正是決定探測器速率的關鍵因素。一般來說，雖然載流子壽命越長，增益越高，但同時也會阻礙器件的日常使用^[5],因此增益的提高應該集中于增加載流子的遷移率而非壽命，也就是說，相較于增益本身而言，增益帶寬才是更具意義的性能指標。如圖3所示，只有優化增益帶寬的光電探測技術才能兼具高響應性和短響應時間的優勢。

圖3^[5]

二維基探測器的市場化道路不僅需要展現優異的性能，更需要考慮材料的加工成本，尤其是目前二維材料的工業化制備尚在探索之中。在光電器件制造領域，成熟的二維材料制備過程需要克服摻雜不均一、材料生長多樣性甚至由于局部環境作用產生的滯后效應等問題，最終還得考察這些問題的解決方案是否適應量產化過程。

4.電池性能的功能工業指標化

如圖4所示，電池性能評價需要測量包括比容量（specific capacity）、電壓窗口（voltage window）、負荷容量（mass loading）、循環特性（cyclability）、庫侖效率（cyclability）、電解液損耗（electrolyte?consumption）、重量/體積以及可量產性等參數。目前的文獻大多數只針對少數一個或幾個參數進行限定研究，無法全面真實地反映實際場景所需的性能評價。

圖4^[5]

以負荷容量為例，實際應用的鋰硫電池的能量密度要大于500Wh kg^?1，相應硫的負荷容量需要達到或超過7-8mg cm^?2。為了達到如此高的負荷容量，硫電極的厚度需要超過300微米，這樣一來電極向電解質的極化就會變得非常嚴重，甚至有可能出現電極表面的硫沉積現象，電化學鈍化電極并最終出現電池突然失效的狀況。然而由于實驗研究用的硫電極的復合容量會被控制在相對低的水平，因此研究人員很少能關注到這類情況。其次，嵌脫鋰過程中出現的硅體積急劇變化是硅電極循環壽命低下的主要原因。電極的循環穩定性主要由活性材料的性質和庫侖效率來決定。盡管諸多文獻在保證材料和電極完整性上做出了努力，庫侖效率的提升卻遠未達到實際應用的需求^[6]。此外，能量密度的測量和評價意義也不能過于簡化。近年來，多孔的分級材料受到了極大的關注。由這類材料設計制造的電極不僅具有很高的比容量，還能加快鋰離子在電解質中的擴散。然而，這類多孔分級材料的tap density很低，并不太可能承受實際應用所要求的體積能量密度。商用石墨電極的電極密度需達到1.4–1.8mg cm^?3，而相比之下，硅基分級結構電極的tap density只有0.4–1mg cm^?3。最后，實驗室的電池樣品的電極容量很大程度上取決于導電添加劑、粘結劑以及電解質，而這些組分構造在商用產品中可能差異巨大，因此優化不同種類電極的制造也是推動實驗室樣品轉變為商用產品的關鍵因素。

5.神經形態硬件

圖5神經形態硬件的主流化路線圖^[7]

記憶性神經形態器件具有可低壓操作、多比特存儲以及高性價比的工藝性等特點，在過去十年里受到了廣泛的關注。基于這類材料的神經形態處理器甚至被認為會加速AI時代的到來。然而，對于這個新興領域，盡管已經取得了一些科研成就，但是為了實現真實場景的應用，還有許多難點需要我們去克服。如圖5所示，首先是多變性（variability）的問題。如果每一個器件都能夠迅速展現出響應性的變化，那么為實現目標狀態的編程就會變得異常反復，尤其當這種情況出現在由幾百萬個器件組成的模型上時，所消耗的時間成本、能量以及支持電路的成本都將變得難以想象地大。即便我們最終克服了多變性的問題，實際應用模型的尺寸也會被單一器件的可操作范圍所限制。由于線路電阻會產生無法忽略的電壓降低，增加延遲以及能量消耗，會對模型的讀寫功能產生重大影響。除了多變性和延遲的問題，元器件的封裝設計也還有待優化。目前主要的設計思路有crosspoint、plug-via以及vertical topologies。Crosspoint是目前最常見的封裝設計，但是這種方法會造成不可控的膜厚減少，增加器件的多變性。Plug-via的設計則需要刻蝕過程，會損壞活性膜，也會造成多變性問題。而vertical的設計與前兩種思路相比，成本更高，可行性前景不明。在可見的未來，記憶性神經形態硬件的發展會首先著眼于特殊場景的應用，通過積累經驗，不斷優化設計，最終走向主流化。

參考文獻

1. The fine line between performance improvementand device practicality

2. Scaling of next generation solutionprocessed organic and perovskite?solar cells

3. Solvent-controlled growth of inorganic perovskite films in dry environment for efficient and stable solar cells

4. Enabling thin-film transistortechnologies and the device?metrics that matter

5. Current status and technologicalprospect of photodetectors based on?two-dimensional materials

6. Aligning academia and industry forunified battery performance metrics

7. Challenges hindering memristiveneuromorphic hardware from going?mainstream

本文由nanoCJ供稿。

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