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(jīng)在許多材料體系中實現(xiàn)了性能的巨大突破。然而，從材料性能提升到發(fā)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(yōu)異表面并不意味著能夠促進器件的實現(xiàn)真實場景應用。另一方面，新型的器件設計和功能的出現(xiàn)與相應性能指標的表現(xiàn)常常不存在正比的關系。因此，如何將實驗發(fā)現(xiàn)有效轉化為日常應用、促進技術進步，已經(jīng)成為廣大科研人員所要面臨的巨大挑戰(zhàn)[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(chǎn)化依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。除此之外，鈣鈦礦雖然產(chǎn)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(chǎn)成本雖然可以大幅降低，但是器件的運行穩(wěn)定性依然阻礙著電池器件的商業(yè)化發(fā)展。

英國的斯旺西大學的Paul Meredith以及Ardalan Armin[2]發(fā)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(shù)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(shù)說明有機太陽能電池（OSCs）和鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在量產(chǎn)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collectionpath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(chǎn)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(chǎn)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(lián)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(shù)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(chǎn)生以及串并聯(lián)電阻。

除了降低成本以及提高效率以外，增強器件穩(wěn)定性以延長使用壽命也是新型太陽能電池商業(yè)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(chǎn)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(wěn)定性與三個因素相關。第一個因素是材料的吸濕性。研究發(fā)現(xiàn)無機鈣鈦礦如CsPbI3在日常濕度環(huán)境中容易發(fā)生降解。濕度能夠高效引發(fā)晶格空穴，降低成核的自由能壘，在室溫下觸發(fā)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(jù)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(wěn)定性。但PSCs受到高溫會導致活性層形貌不穩(wěn)定，致使器件退化減退使用壽命。此外，離子遷移也是影響穩(wěn)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(xiàn)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(wěn)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(xiàn)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(yè)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(fā)展，薄膜晶體管的研制需要發(fā)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(xiàn)出優(yōu)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(shù)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(yōu)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(chǎn)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(xù)受到科研人員的強烈關注。這類探測器在發(fā)展的過程中，為了體現(xiàn)對傳統(tǒng)探測器的顛覆性，需要解決與性能指標相關聯(lián)的眾多挑戰(zhàn)。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(chǎn)生的電學載流子數(shù)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(lián)合作用。目前多數(shù)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(chǎn)生的閃變噪聲（flicker noise）已經(jīng)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(shù)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(wěn)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(yōu)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(yōu)勢。

圖3[5]

二維基探測器的市場化道路不僅需要展現(xiàn)優(yōu)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(yè)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(huán)境作用產(chǎn)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(chǎn)化過程。

4、電池性能的功能工業(yè)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(huán)特性（cyclability）、庫侖效率（cyclability）、電解液損耗（electrolyte consumption）、重量/體積以及可量產(chǎn)性等參數(shù)。目前的文獻大多數(shù)只針對少數(shù)一個或幾個參數(shù)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(xiàn)電極表面的硫沉積現(xiàn)象，電化學鈍化電極并最終出現(xiàn)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(xiàn)的硅體積急劇變化是硅電極循環(huán)壽命低下的主要原因。電極的循環(huán)穩(wěn)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(chǎn)品中可能差異巨大，因此優(yōu)化不同種類電極的制造也是推動實驗室樣品轉變?yōu)樯逃卯a(chǎn)品的關鍵因素。

5、神經(jīng)形態(tài)硬件

圖5神經(jīng)形態(tài)硬件的主流化路線圖[7]

記憶性神經(jīng)形態(tài)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?；谶@類材料的神經(jīng)形態(tài)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(jīng)取得了一些科研成就，但是為了實現(xiàn)真實場景的應用，還有許多難點需要我們?nèi)タ朔Ｈ鐖D5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(xiàn)出響應性的變化，那么為實現(xiàn)目標狀態(tài)的編程就會變得異常反復，尤其當這種情況出現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(yōu)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(jīng)形態(tài)硬件的發(fā)展會首先著眼于特殊場景的應用，通過積累經(jīng)驗，不斷優(yōu)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 d 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。