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原子层沉积(ALD):能源转换和存储器件上的纳米工程技术
Issuing time:2018-01-12 16:07

尽管化石燃料在我们日常生活所需能源中仍然占据主导地位,但是可持续再生能源技术的开发和利用将对未来经济的发展起着至关重要的作用。为了能够替代这些传统化石燃料,再生能源技术必须至少要满足两个目标。首先,在原材料和生产过程上必须要克服限制这些再生能源作为电力主要来源在价格以及效率上的劣势。其次,由于各大再生能源技术主要依靠的是间歇式电源(例如太阳能和风能),因此必须要创造更好的能量存储技术来提供一整天的能源需求。

从目前的研究来看,纳米材料在能源转换和存储方面上的应用无论是效率还是价格上来都显示了较大的应用前景。但是,随着材料的尺度降低到纳米级别,一些相应的负面效应也随之产生,比如说对于太阳能电池来讲,较大的比表面积会造成更多的载流子复合中心,以及较差质量的纳米界面会降低载流子分离效率等等。对于锂离子电池来讲,材料纳米化以后可能会导致很多不利副反应发生,同时也会降低其活性材料的填充质量等等。

为了能够有效的利用纳米材料的优势而尽量避免随之而来的缺点,开发一种基于纳米材料的,均匀性和厚度能够在纳米甚至原子级别可控生长的技术具有非常重要的实际意义。原子层沉积(ALD)技术因其独特的特点,比如说(1)可以通过控制反应周期数简单精确地控制薄膜的厚度,形成达到原子层厚度精度的薄膜;(2)可生产极好的三维保形化学计量薄膜;(3)可以沉积多组分纳米薄膜和混合氧化物;(4)薄膜生长可以在低温(室温到400℃)下进行;(5)可广泛的适用于各种形状的衬底。这些特点使得ALD技术被广泛的用来解决材料以及器件尺度纳米化所带来的困扰。到目前为止,ALD已经被应用于栅极电介质,电致发光显示器,电容电介质,MEMS器件,过滤膜,催化剂,以及其他的能源器件等等。

近日,德国伊尔姆瑙理工大学雷勇教授课题组系统的总结了ALD技术的特点及优势,特别是针对具有挑战性的高纵横比纳米材料和结构的控制生长;另外根据这些特点深入的分析了ALD材料在能源储存和转换器件里面的主要功能和作用;接着,他们进一步详细的叙述了ALD技术应用在太阳能电池(钙钛矿和染料敏化),光解水电极(光阳极和光阴极),锂离子电池以及超级电容器等相应组成部分的最新应用进展。通过对这些进展的总结和分析,作者进一步充分的展示了ALD技术的广阔应用前景:它不仅可以生长出结构及厚度完全可控的活性材料,还可用于生长很好的界面功能材料以达到提高器件效率和稳定性的双重目的。最后,本文作者还讨论了ALD技术在材料生长方式,以及如何实现大规模生产等方面进行了展望。

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转载来自:Advanced Energy Materials DOI: 10.1002/aenm.201600468)上。


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