科技資訊寫作大賽｜劉生忠教授Sci. China Chem.：120毫米單晶鈣鈦礦-面向可行的應用

材料人首屆科技資訊寫作大賽自5月13日發布征稿通知以來（參賽詳情請戳我），受到讀者們的廣泛關注。本文是由SCI期刊Science China Chemistry編輯部投稿。

【背景介紹】

目前大型單晶硅晶片的發展已經改變了許多行業的進程，包括電子和太陽能電池。因此，大型單晶鈣鈦礦晶體和晶片的可用性將徹底改變其在光伏、光電子、激光、光電檢測器、LED等領域的廣泛應用。到目前為止，受大單晶（SC）材料的不可用限制，所有鈣鈦礦太陽能電池均基于微晶和非晶組分。由于微晶鈣鈦礦材料中存在大量晶粒、邊界、空隙和表面缺陷，因此預計這些缺陷和重組位點會引起顯著的效率損失。

【成果簡介】

近日，來自陜西師范大學的劉生忠教授和楊周博士（共同通訊）等人發現了一種使得單晶鈣鈦礦長大的方法，包括單鹵化物晶體：CH₃NH₃PbX₃ ? (X=I, ?Br, ?Cl)，雙鹵化物：CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_1?x)₃? 和CH₃NH₃Pb(Br_xI_1?x)₃，最大的晶體長120毫米。另外，該團隊還發現了一種將鈣鈦礦晶體分成薄晶片的方法。相關的研究成果以“120 Millimeter Single-Crystalline Perovskite and Wafers: To-wards Viable Applications”為題發表在了Science China Chemistry上。

【圖文導讀】

圖1?材料表征

a）從 CH₃NH₃PbI₃晶體的生長溶液中獲取的圖片

b）大鈣鈦礦CH₃NH₃PbI₃晶體的PGC（?50μm）的X射線衍射圖和2θ掃描

c）晶片切片過程的示意圖

d）大鈣鈦礦CH₃NH₃PbI₃晶體被切片

圖2?SC鈣鈦礦材料的表征

a）?分別為MPTF、PGC、LSC、SCW的UV Vis NIR吸收光譜

b） MPTF、PGC、LSC、SCW的PL光譜

c）14個不同位置的PL光譜

d）在黑暗下顯示VTFL扭結點行為I-V曲線

e）用PL均勻度測量的53.5 × 34.5 × 1.4 mm的CH₃NH₃PbI₃晶體

f）用捕捉狀態密度測量的圖片

g）霍爾效應測量圖片

圖3?SC鈣鈦礦的圖片

a）CH₃NH₃Pb(Br_yI_1?y)₃（y=0-1）的圖片

b）CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_1?x)₃（x=0-1）的圖片

c,d）分別為CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_1?x)₃和CH₃NH₃Pb(Br_yI_1?y)₃的XRD圖

圖4?光學表征

a）CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_1?x)₃和CH₃NH₃Pb(Br_yI_1?y)₃粉末的UV Vis NIR吸收光譜

b）CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_1?x)₃和CH₃NH₃Pb(Br_yI_1?y)₃粉末的PL光譜

c）鹵素鈣鈦礦的能量取向

圖5?單晶鈣鈦礦晶片和微晶鈣鈦礦薄膜光電探測器的表征

a，b）在單晶鈣鈦礦晶片上制造的24和28平面型光電探測器的圖片

c，d）在1,2,4,6,8,10和12V的不同偏置電壓下測量的檢測器的光電流響應

e）單晶鈣鈦礦晶片與微晶之間光電流響應的比較

【總結】

本文開發了一種有效的技術來使得一系列大型鈣鈦礦型材料長大，隨著半導體晶片成為太陽能電池、電子學、光電子性質的基礎，大型鈣鈦礦晶片的可用性可能徹底改變其在太陽能電池、LED、激光器、光電探測器和其他光電器件中的應用。

【作者簡介】

劉生忠，男，1963年生，寧夏平羅人，陜西師范大學教授、國家“千人計劃”特聘教授。1983年獲陜西師范大學理學學士學位，1986年獲蘭州大學理學碩士學位，1992年獲美國西北大學工學博士學位，研究方向為物理化學。劉生忠教授的研究領域集中在納米材料、薄膜材料、太陽能光伏材料、電光薄膜的電化學沉積、激光表面處理和光伏技術的開發、放大和生產。

研究成果發表在世界著名刊物上，包括美國的Science和英國的Nature。研究成果引起了廣泛重視，其發表在Science上的C₆₀分子結構被國際著名雜志長期用作封面照片，發表在英國Nature上的成果被許多報紙、刊物報道評論，多篇論文成為被“最多引用的論文”（most cited paper）。主要發明和專利中有多項已轉化成工藝和產品，其它大部分被應用在生產上，其中“透明太陽能薄膜電池”榮獲號稱“發明家的奧斯卡獎”的“世界最佳發明獎”（R&D 100）。1998年入選 “世界科學家工程師名人錄”。2011年，劉生忠教授入選國家第六批“千人計劃”創新人才長期項目。

主要成就：

High Efficiency, Large Area, Nanocrystalline Silicon Based, Triple-Junction Solar Cells, Mat. Res. Soc. Symp., (2011) 1321.

The Structure of the C₆₀ ?molecule: X-ray crystal structure determination of a twin at 110K, Science, 254 (1991) 408.

Method of Manufacturing Thin Film Photovoltaic Modules, US patent 7259321.
Partially Transparent Photovoltaic Modules, US patent 6858461.

Ultra Lightweight Photovoltaic Device and Method For Its Manufacture, US patent 7517465.

文獻鏈接：120 Millimeter Single-Crystalline Perovskite and Wafers: To-wards Viable Applications（Sci. China Chem., 2017, DOI:10.1007/s11426-017-9081-3 ）

本文由材料人新能源組Allen供稿，材料牛整理編輯。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。

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