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新的制造方法使单晶钙钛矿器件更接近于可行性

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-15 】 点击次数:
加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发了一种将钙钛矿制成单晶薄膜的新方法,与当前最新的多晶形式相比,这种钙钛矿在太阳能电池和光学设备中的使用效率更高。
 
他们的制造方法 -使用标准的半导体制造工艺-产生具有受控面积,厚度和成分的柔性单晶钙钛矿薄膜。这些单晶膜比多晶膜具有更少的缺陷,更高的效率和更高的稳定性,这可能导致钙钛矿在太阳能电池,LED和光电探测器中的使用。
 
许胜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》杂志上发表了他们的发现。
 
“我们的目标是克服实现单晶钙钛矿设备的挑战,”纳米工程研究生和论文的第一作者雷宇生说。“我们的方法是第一种可以精确地高效控制单晶器件的生长和制造的方法。该方法不需要昂贵的设备或技术,整个过程基于传统的半导体制造,这进一步表明了其与现有半导体器件的兼容性。工业程序。”
 
钙钛矿是一类具有特定晶体结构的半导体材料,具有令人着迷的电子和光电特性,这使得钙钛矿非常适合用于引导,检测或控制光的设备(太阳能电池,通信用光纤或LED-例如基于设备的设备。
分级的单晶钙钛矿。信用:雷雨生
“目前,几乎所有的钙钛矿制造方法都集中在多晶结构上,因为它们的生产和制造容易,尽管它们的性能和稳定性不如单晶结构那么出色,”纳米工程研究生和《科学》的第一作者之一纸。
 
在制造过程中控制单晶钙钛矿的形式和组成是困难的。徐的实验室发明的方法能够通过利用包括光刻在内的现有半导体制造工艺来克服这一障碍。
 
“手机,计算机和人造卫星等现代电子设备都是基于单晶薄膜,例如硅,氮化镓和砷化镓。” “与多晶体相比,单晶体具有更少的缺陷,因此具有更好的电子传输性能。这些材料必须以薄膜形式与设备的其他组件集成,并且集成过程应可扩展,低成本且理想地与多晶硅兼容。现有的工业标准。这对钙钛矿来说是一个挑战。”
 
 
 
在2018年,Xu的团队是第一个成功将钙钛矿集成到工业标准光刻工艺中的团队; 这是一个挑战,因为光刻涉及钙钛矿敏感的水。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。在这项新的研究中,工程师们设计了一种光刻掩模图案,以控制横向和纵向尺寸,从而开发了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。掩模的设计提供了可见的过程来控制超薄晶体膜形成的生长。然后将该单晶层从块状晶体衬底上剥离,并转移到任意衬底上,同时保持其形式和对衬底的粘附性。将具有逐渐变化的组成的铅-锡混合物应用于生长溶液,从而创建单晶薄膜的连续渐变电子带隙。
钙钛矿单晶膜可以实现更高效的柔性太阳能电池,如此处所示。信用:雷雨生
钙钛矿位于夹在两层材料之间的中性机械平面上,从而使薄膜弯曲。这种灵活性允许将单晶膜结合到高效的柔性薄膜太阳能电池和可穿戴设备中,从而有助于实现无电池无线控制的目标。
 
他们的方法使研究人员能够制造单晶薄膜 5.5平方厘米达5.5厘米,而具有在所述单晶的厚度控制钙钛矿 -ranging从600纳米至100微米,以及在厚度的组合物梯度方向。
 
徐说:“进一步简化制造工艺和提高转移成品率是我们正在研究的紧迫问题。” “或者,如果我们可以用功能性载流子传输层代替图案掩模来避免转移步骤,则可以大大提高整个制造良率。”
 
这项研究表明,可以使用标准的纳米加工程序和材料制造稳定有效的单晶器件,而不是寻找稳定多晶钙钛矿使用的化学试剂。徐的团队希望进一步扩展这种方法,以实现钙钛矿的商业潜力。
 

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