近日，由中國科學院大連化學物理研究所劉生忠研究員帶領(lǐng)的團隊與陜西師范大學合作，利用升溫析晶法，首次制備出超大尺寸單晶鈣鈦礦CH3NH3PbI3晶體，尺寸超過2英寸，這是世界上首次報道尺寸超過0.5英寸的鈣鈦礦單晶。相關(guān)結(jié)果已在線發(fā)表在《先進材料》期刊上。有關(guān)專家認為，這一成果有可能推動光電器件的新一輪革命。
太陽能是一種能量豐富、清潔的能源，合理、有效地利用太陽能是解決人類能源和環(huán)境問題的重要途徑。目前，對太陽能的利用方式包括太陽能光熱、太陽能光伏電池、太陽能制氫等方式。其中，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)可以直接將太陽光的能量轉(zhuǎn)換成電能，實現(xiàn)與當前供電網(wǎng)的無縫連接，是最便捷的太陽能利用方式。
商用太陽能電池產(chǎn)品已經(jīng)有超過60年的歷史并廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。盡管太陽能發(fā)電技術(shù)的成本已經(jīng)有了大幅降低，但較其他能源供給的價格還是偏高。開發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)電成本低的太陽能電池器件是人類一直追尋的目標。
近年來的研究發(fā)現(xiàn)，具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的甲氨基鹵化鉛材料由于具有很高的光吸收系數(shù)、很長的載流子傳輸距離、非常少的缺陷態(tài)密度等特質(zhì)，在光伏材料、激光材料和發(fā)光材料等方面有極大的應(yīng)用價值，成為國際上極為重要的研究熱點材料之一。目前，經(jīng)過美國國家能源部可再生能源實驗室（NREL）認證的鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到20.1%，已接近單晶硅太陽能電池的效率。同時，基于鈣鈦礦材料的激光和發(fā)光器件也有報道，顯示出鈣鈦礦材料在光電領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。
然而，現(xiàn)在基于微晶或非晶薄膜的鈣鈦礦太陽能電池及其他光電器件仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，如對水蒸氣敏感、對大氣、熱、紫外光等不夠穩(wěn)定等。微晶鈣鈦礦薄膜中存在很多晶粒、晶界、孔隙和表面缺陷會造成載流子的復合，是進一步提高太陽能轉(zhuǎn)換效率及其他光電器件性能需要解決的關(guān)鍵問題。
針對上述問題，劉生忠研究團隊研究出了大尺寸鈣鈦礦單晶生長方法，并成功制備出超大尺寸單晶鈣鈦礦晶體，尺寸超過2英寸。
研究團隊進一步研究發(fā)現(xiàn)，相較于薄膜樣品，鈣鈦礦晶體材料具有非常高的結(jié)晶質(zhì)量、更好的光吸收范圍和更高的熱穩(wěn)定性，并首次發(fā)現(xiàn)該材料在402nm處的發(fā)光峰。以上研究結(jié)果表明，這種超大尺寸的單晶體在研發(fā)高性能光電器件方面具有很大的商業(yè)應(yīng)用價值。
在該論文發(fā)表的同時，《先進材料》的一位主編對該項工作發(fā)表評論文章，給予高度評價。評論指出，該論文首次報道了尺寸大于0.5英寸的鈣鈦礦單晶，這使得直接比較多晶薄膜和單晶之間在性質(zhì)上的差異成為可能。研究結(jié)果表明，相較于多晶鈣鈦礦薄膜，采用單晶制作的鈣鈦礦太陽能電池可以獲得更好的光電轉(zhuǎn)換效率；同時，由于晶體的完整性和較少的缺陷，單晶器件也具有更佳的穩(wěn)定性。“由于單晶材料是現(xiàn)代半導體工業(yè)、電子工業(yè)和光電工業(yè)的基礎(chǔ)，具有優(yōu)良性能的鈣鈦礦單晶材料有可能實現(xiàn)對多晶鈣鈦礦基器件的革新，推動光電器件的新一輪革命。”
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