生长应变晶体可以改善钙钛矿电子器件的性能


来源:   时间:2020-04-01 10:59:31


一种新方法可以使研究人员制造出更高效,更持久的钙钛矿太阳能电池,LED和光电探测器。通过在具有不同成分的基板上生长钙钛矿薄膜,加利福尼亚圣地亚哥大学的工程师发明了一种制造具有精确变形或应变结构的钙钛矿单晶的方法。

该作品于1月8日发表在《自然》上。

对钙钛矿中的少量应变进行工程处理是非常令人感兴趣的,因为它提供了一种方法来对材料的属性进行重大更改,例如它如何导电,吸收和透射光,或者它如何稳定。

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程学教授,该研究的高级作者徐胜说:“您可以使用应变工程学作为旋钮来调整现有功能,甚至在材料中安装新功能。”

生长应变晶体可以改善钙钛矿电子器件的性能

有一些利用热量在钙钛矿晶体中引入应变的技术,但是这种应变的寿命通常很短,或者是无法控制的,这使得使用这些应变工程化的钙钛矿无法使用。现有的应变工程技术也与器件制造工艺不兼容。

徐和他的团队通过小心地生长变形的钙钛矿单晶解决了这些问题。他们的技术将应变永久性地嵌入到材料的结构中,并允许他们调整应变的数量-晶格变形越大,应变就越高。

这项研究中研究的钙钛矿类型为α-甲ami碘化铅,迄今为止已被用于制造效率最高的钙钛矿太阳能电池。研究人员在一系列具有不同组成和晶格尺寸的钙钛矿衬底上生长了这种材料的晶体-这一过程称为异质外延生长。随着材料的结晶,它采用了其基板的晶格大小,这实际上迫使α-甲ami碘化铅晶体的生长与正常情况不同。

纳米工程博士Yimu Chen解释说:“因此,材料中的晶格会变形和变形到不同的程度,这取决于材料和基材之间的晶格失配。”徐氏实验室的学生,也是该研究的第一作者。

“由于我们在原子级引入了应变,因此我们可以精确地设计应变并对其进行控制,”也是纳米工程博士学位的雷宇生说。徐氏实验室的学生和该研究的另一共同第一作者。

研究人员培育出钙钛矿晶体,其应变水平介于0至-2.4%之间,有五种不同水平。他们发现,-1.2%应变产生的样品具有最佳的载流子迁移率。

研究小组还报告了另一个有趣的发现:生长具有应变的α-甲ami碘化铅晶体可以稳定其光敏α相。Chen说:“α-甲ami碘化铅以无应变形式经历了从光活性相到非光活性相的相变,这对光伏应用是不利的。”“通过我们的生长方法,我们可以将材料的晶体结构与基板锁定在一起,以防止这种相变并增强其相稳定性。”

在未来的研究中,研究人员将探索他们可以使用他们的方法将哪些新特性和功能性应用到钙钛矿上。他们还将努力扩大其工艺,以生产用于工业应用的大型单晶薄膜。

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