鈣鈦礦單晶薄膜的可控制備與太陽(yáng)能電池器件研究獲進(jìn)展
近年來(lái)，能源需求的激增和空氣污染的加劇迫使人們尋求新的清潔可再生能源。太陽(yáng)能被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的清潔可再生能源之一。太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，可以高效轉(zhuǎn)換并利用太陽(yáng)能。除了目前主要的硅基太陽(yáng)能電池外，探尋高效率且廉價(jià)的新型太陽(yáng)能電池成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
近年來(lái)有機(jī)無(wú)機(jī)雜化MAPbX3 (X=Cl, Br和I)鈣鈦礦材料由于其卓越的光電性能而受到廣泛關(guān)注。基于這類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的薄膜太陽(yáng)能電池短短幾年間在效率上頻頻突破，由2009年的不到4%迅速提升到了22.1%。除此之外，鈣鈦礦材料在激光、發(fā)光二極管、光電傳感器方面也有很大的應(yīng)用前景。但到目前為止，通過(guò)各種工藝方法制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光吸收層都是鈣鈦礦多晶薄膜，而多晶薄膜不可避免存在的晶粒邊界和表面缺陷導(dǎo)致載流子遷移率、壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度等重要參數(shù)下降。鈣鈦礦材料的體相單晶已被證明具有相比于多晶薄膜更低的缺陷態(tài)密度、更高的載流子遷移率和更長(zhǎng)的載流子復(fù)合壽命等優(yōu)勢(shì)。然而，由于該類材料本身具有較高的光吸收系數(shù)，常規(guī)方法制備的鈣鈦礦體相單晶厚度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致載流子復(fù)合概率增加，不適合用于直接制備太陽(yáng)能電池等器件。
中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員胡勁松課題組科研人員在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，前期發(fā)展了適于制備較大面積鈣鈦礦吸收層并能改善其晶粒尺寸，從而提高電池轉(zhuǎn)換效率的方法(J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 13458);研究了通過(guò)稀土元素?fù)诫s改善介孔層能級(jí)從而提高電池效率的方法(Nanoscale, 2016, 8, 16881);并且利用掃描探針顯微技術(shù)研究了鈣鈦礦吸收層微觀形貌與其性能間的關(guān)系(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 28518; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 26002)。最近，研究人員在鈣鈦礦單晶薄膜的可控制備和性能研究方面取得新進(jìn)展。研究人員發(fā)展了一種利用空間限域作用的溶液相方法，實(shí)現(xiàn)了在基底上原位制備毫米級(jí)高質(zhì)量有機(jī)無(wú)機(jī)雜化MAPbX3 (X=Cl, Br, I)鈣鈦礦單晶薄膜。該方法制備的單晶薄膜厚度可以在幾十納米到幾微米范圍內(nèi)可調(diào)，同時(shí)對(duì)基底無(wú)選擇性，可在柔性基底及表面粗糙度較高的材料等多種基底上原位生長(zhǎng)，適宜于各種器件的制備。這是首次獲得百納米級(jí)厚度適于直接制備太陽(yáng)能電池等器件的較大面積單晶鈣鈦礦薄膜的報(bào)道。研究表明所制備單晶薄膜具有良好的結(jié)晶性，與基底接觸良好，并且具有與體相鈣鈦礦單晶相當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)和電學(xué)性能，為進(jìn)一步制備和研究鈣鈦礦單晶薄膜太陽(yáng)能電池及其他單晶器件開(kāi)辟了新的途徑。該工作發(fā)表在J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 16196。