新制造方法让单晶钙钛矿器件更具可行性

美国加州大学圣地亚哥分校官网近日报道,该校纳米工程师开发出一种将钙钛矿制作成单晶薄膜的新方法。与目前最先进的多晶形式相比,这种钙钛矿在太阳能电池和光学设备中使用时效率更高。

近年来,钙钛矿(perovskite)已成为备受各界关注的一大类半导体材料,并有望彻底改变未来的电子器件。此类材料具有独特的晶体结构,有利于缺陷的扩散迁移,因此具有电催化性、吸光性等诸多卓越的物理化学特性,并且制造起来既简单又便宜。

有机-无机混合钙钛矿具有电子和光电特性,使其在许多器件应用中极具发展潜力。虽然许多现有方法集中在多晶材料上,但与多晶材料相比,由于单晶杂化钙钛矿的定向传输行为和较低的缺陷浓度,其载流子输运性能和稳定性均优于多晶钙钛矿。但是,单晶杂化钙钛矿的制备以及控制其形态和组成,往往颇具挑战性。

近日,美国加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发出一种将钙钛矿制作成单晶薄膜的新方法。与目前最先进的多晶形式相比,这种钙钛矿在太阳能电池和光学设备中使用时效率更高。

新制造方法让单晶钙钛矿器件更具可行性
转移过程中的单晶钙钛矿薄膜(图片来源:Yusheng Lei)

他们的制造方法,采用标准的半导体制造工艺,最终生成面积、厚度以及成分受控的柔性单晶钙钛矿薄膜。这些单晶膜比它们的多晶对应物缺陷更少,效率以及稳定性更高,可能使钙钛矿应用到太阳能电池、LED以及光电探测器中。

徐升(音译)教授的雅各布斯工程学院纳米工程实验室的研究人员于7月29日在《自然(Nature)》杂志上发表了他们的研究成果。

纳米工程研究生、论文第一作者雷宇生(音译)表示:“我们的目标是克服实现单晶钙钛矿器件过程中的挑战。我们的方法是首个能够高效、精确地控制单晶器件的生长和制造的方法。该方法不需要奢华的设备或技术,整个工艺基于传统的半导体制造技术,进一步表明了它与现有工业制程的兼容性。”

钙钛矿是一类具有特定晶体结构的半导体材料,具有引人入胜的电子和光电特性,这使得钙钛矿非常适合用于引导、检测光线或者受光线控制的设备(例如太阳能电池、通信用光纤、基于LED的设备)。

纳米工程研究生、论文的共同第一作者陈易慕(音译)表示:“目前,几乎所有的钙钛矿制造方法都集中在多晶结构上,因为它们更容易制造,尽管性能和稳定性不如单晶结构那么出色。”

在制造期间控制单晶钙钛矿的形式和组成,一直都是个难题。徐教授实验室发明的方法能够利用包括光刻在内的现有半导体制造工艺来克服这个障碍。

徐教授表示:“手机、电脑和卫星等现代电子设备都是基于单晶薄膜材料,例如硅,氮化镓和砷化镓等。与多晶体相比,单晶体的缺陷更少,因此电子传输性能更好。这些材料必须以薄膜形式与设备的其他元件集成到一起,并且集成过程应该可扩展、低成本,并且与现有的工业标准完美兼容。这对于钙钛矿来说是一个挑战。”

如图所示,单晶钙钛矿薄膜可实现更加高效的柔性太阳能电池。(图片来源:加州大学圣地亚哥分校)

如图所示,单晶钙钛矿薄膜可实现更加高效的柔性太阳能电池。(图片来源:加州大学圣地亚哥分校)

2018年,徐教授的团队是首个成功将钙钛矿集成到行业标准的光刻工艺中的团队。这其实是一个重要挑战,因为光刻涉及水,而钙钛矿对水敏感。他们通过在钙钛矿中添加聚合物保护层,然后在制造过程中干蚀刻保护层,来解决这个问题。在这项新研究中,工程师们设计了一种光刻掩模图案,控制横向和纵向尺寸,从而开发出一种控制钙钛矿单晶生长的方法。

在制造过程中,研究人员使用光刻技术在混合钙钛矿块状晶体的基板上蚀刻掩模图案。掩模的设计提供了一个可见的过程,以控制超薄晶体膜形成物的生长。然后,该单晶层从块状晶体衬底上剥落,并转移到任意衬底上,同时保持其形状以及对衬底的粘附性。成分逐渐变化的铅-锡混合物被施加到生长溶液中,创造出单晶薄膜的连续梯度电子带隙。

新制造方法让单晶钙钛矿器件更具可行性
梯度单晶钙钛矿(图片来源:加州大学圣地亚哥分校)

钙钛矿位于夹在两层材料之间的中性机械平面上,从而使得薄膜可以弯曲。这种柔性使得单晶膜能够融合到高效柔性薄膜太阳能电池以及可穿戴设备中,从而有助于实现无电池的无线控制。

研究人员使用这种方法能够制造出5.5厘米乘5.5厘米的正方形单晶薄膜,同时控制单晶钙钛矿的厚度(范围从600纳米至100微米),以及在厚度方向上的成分梯度。

徐教授表示:“进一步简化制造工艺并提高转移成品率,是我们正在研究的迫切问题。或者,如果我们可以用功能性载流子输运层代替图案掩模来避免转移步骤,那么整个制造成品率将大大提升。”

这项研究表明,标准的纳米制造工艺和材料可以制造稳定且高效的单晶器件,从而无需寻找化学试剂来稳定多晶钙钛矿。徐教授的团队希望进一步扩展这种方法,以释放钙钛矿的商业潜力。[IntelligentThings]

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