近日，由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所劉生忠研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與陜西師范大學(xué)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(guò)2英寸，這是世界上首次報(bào)道尺寸超過(guò)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(jìn)材料》期刊上。有關(guān)專家認(rèn)為，這一成果有可能推動(dòng)光電器件的新一輪革命。
太陽(yáng)能是一種能量豐富、清潔的能源，合理、有效地利用太陽(yáng)能是解決人類能源和環(huán)境問(wèn)題的重要途徑。目前，對(duì)太陽(yáng)能的利用方式包括太陽(yáng)能光熱、太陽(yáng)能光伏電池、太陽(yáng)能制氫等方式。其中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)可以直接將太陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前供電網(wǎng)的無(wú)縫連接，是最便捷的太陽(yáng)能利用方式。
商用太陽(yáng)能電池產(chǎn)品已經(jīng)有超過(guò)60年的歷史并廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。盡管太陽(yáng)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(jià)格還是偏高。開發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)電成本低的太陽(yáng)能電池器件是人類一直追尋的目標(biāo)。
近年來(lái)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(zhǎng)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(jià)值，成為國(guó)際上極為重要的研究熱點(diǎn)材料之一。目前，經(jīng)過(guò)美國(guó)國(guó)家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）認(rèn)證的鈣鈦礦太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到20.1%，已接近單晶硅太陽(yáng)能電池的效率。同時(shí)，基于鈣鈦礦材料的激光和發(fā)光器件也有報(bào)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(yáng)能電池及其他光電器件仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，如對(duì)水蒸氣敏感、對(duì)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(huì)造成載流子的復(fù)合，是進(jìn)一步提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率及其他光電器件性能需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
針對(duì)上述問(wèn)題，劉生忠研究團(tuán)隊(duì)研究出了大尺寸鈣鈦礦單晶生長(zhǎng)方法，并成功制備出超大尺寸單晶鈣鈦礦晶體，尺寸超過(guò)2英寸。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(jià)值。
在該論文發(fā)表的同時(shí)，《先進(jìn)材料》的一位主編對(duì)該項(xiàng)工作發(fā)表評(píng)論文章，給予高度評(píng)價(jià)。評(píng)論指出，該論文首次報(bào)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(yáng)能電池可以獲得更好的光電轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)，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(dǎo)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(shí)現(xiàn)對(duì)多晶鈣鈦礦基器件的革新，推動(dòng)光電器件的新一輪革命。”
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