純相二維層狀鈣鈦礦太陽能電池問世

近日，我國科研團隊首次成功研發(fā)純相的二維鈣鈦礦薄膜及其高穩(wěn)定性太陽能電池，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然—能源》。
中國科學(xué)院院士、西北工業(yè)大學(xué)柔性電子前沿科學(xué)中心首席科學(xué)家黃維，南京工業(yè)大學(xué)先進材料研究院教授陳永華和澳門大學(xué)應(yīng)用物理與材料工程研究院教授邢貴川，首次報道了通過前驅(qū)體離子間配位作用、分子間相互作用調(diào)控獲得近單分散的鈣鈦礦前驅(qū)體膠束粒子中間相，通過溶劑揮發(fā)獲得不同量子阱寬度的純相二維鈣鈦礦薄膜。
黃維告訴《中國科學(xué)報》，這一工作基于離子液體調(diào)控分子間相互作用力，首次實現(xiàn)了有序取向的、結(jié)晶性能良好的二維純相鈣鈦礦薄膜，揭示了純相鈣鈦礦薄膜的形成機制、光學(xué)特征、物相分布以及器件性能。
近年來，二維層狀鈣鈦礦材料由于優(yōu)越的穩(wěn)定性和光電性能而成為鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點。同時，基于液相法制備的二維層狀鈣鈦礦薄膜均由多相混合量子阱結(jié)構(gòu)組成，即目標(biāo)量子阱結(jié)構(gòu)與實際獲得的多相混合量子阱結(jié)構(gòu)有很大不同，薄膜中夾雜的其他多種鈣鈦礦相成分對鈣鈦礦器件的進一步應(yīng)用有著很大的限制。
因此，科學(xué)家們長期致力于制備純相二維鈣鈦礦薄膜并研究其對于光電性能的影響。事實上，盡管鈣鈦礦前驅(qū)體溶液是嚴(yán)格按照化學(xué)計量比配置的，但仍難以在沉積的過程中直接形成目標(biāo)設(shè)計的純相量子阱薄膜。
合作團隊通過創(chuàng)新性地使用一種離子液體有機胺鹽替代傳統(tǒng)的鹵素有機鹽，實現(xiàn)前驅(qū)體溶液離子配位和分子間相互作用有效調(diào)控，獲得擇優(yōu)生長的微米級二維層狀鈣鈦礦薄膜，而且可實現(xiàn)有效的層間電荷傳輸，具有優(yōu)異的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
“鈣鈦礦的多相量子阱結(jié)構(gòu)已經(jīng)被大多數(shù)科研工作者成功制備，然而通過采用新型離子液體有機胺鹽和巧妙的實驗設(shè)計，獲得純相量子阱結(jié)構(gòu)，并對其光學(xué)特征和器件性能展開了深入分析在世界上尚屬首次?！标愑廊A介紹說，通過掠入射小角X射線衍射技術(shù)分析表明，基于該技術(shù)制備的純相鈣鈦礦薄膜具有微米級的超大晶粒尺寸、良好的晶體取向和結(jié)構(gòu)特征，有利于器件性能的提升。
鈣鈦礦薄膜的單一量子阱結(jié)構(gòu)進一步被飛秒激光光譜所印證，“純相二維鈣鈦礦展示出單一的漂白峰和熒光光譜是強有力的純相量子阱證據(jù)?！毙腺F川解釋道，從分立且單一的光學(xué)特征上發(fā)現(xiàn)了純相量子阱特征，純相薄膜具有連續(xù)可調(diào)的相分布。這種結(jié)構(gòu)既保證了薄膜的穩(wěn)定性，又保證了載流子的高效傳輸，這是制造高性能器件的必備條件。
同時，研究人員構(gòu)建的平面型太陽能電池器件也表明，純相量子阱結(jié)構(gòu)使得二維層狀鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性顯著提高。該研究展示的純相量子阱將促進太陽能電池和其他鈣鈦礦基光電器件（如探測器、發(fā)光二極管、激光器）的發(fā)展，為其性能進一步提升提供了新思路。