新的制造方法使单晶钙钛矿设备更接近可行性

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造为单晶薄膜的新方法，与目前最先进的多晶材料相比，这种方法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。与多晶薄膜相比，这些单晶薄膜显示出更少的缺陷、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。

徐升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研究结果。

“我们的目标是克服实现单晶钙钛矿器件的挑战”，纳米工程研究生、论文第一作者 Yusheng Lei 说。“我们的方法是第一个可以高效精确控制单晶器件的生长和制造的方法。该方法不需要花哨的设备或技术——整个过程基于传统的半导体制造，进一步表明其与现有技术的兼容性。工业程序。”

钙钛矿是一类具有特定晶体结构的半导体材料，显示出令人感兴趣的电子和光电特性，这使得钙钛矿在引导、检测或受光控制的设备(太阳能电池、通信光纤或 LED)中具有吸引力。例如，基于设备。

分级单晶钙钛矿。图片来源：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，因为它们更容易生产，尽管它们的性能和稳定性不如单晶结构突出”，纳米工程研究生和共同第一作者 Yimu Chen 说。纸。

在制造过程中控制单晶钙钛矿的形式和成分一直很困难。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、计算机和卫星等现代电子产品均基于硅、氮化镓和砷化镓等材料的单晶薄膜，”徐说。“与多晶相比，单晶具有更少的缺陷，因此具有更好的电子传输性能。这些材料必须在薄膜中才能与设备的其他组件集成，并且集成过程应该是可扩展的、低成本的，并且理想地与现有的工业标准。这对钙钛矿来说是一个挑战。”

2018年，徐教授团队率先将钙钛矿成功融入工业标准光刻工艺;一个挑战，因为光刻涉及水，钙钛矿对水很敏感。他们通过在钙钛矿中添加聚合物保护层，然后在制造过程中对保护层进行干法蚀刻来解决这个问题。在这项新研究中，工程师们开发了一种方法，通过设计一种光刻掩模图案，可以在横向和纵向尺寸上进行控制，从而在单晶水平上控制钙钛矿的生长。

在他们的制造过程中，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来控制超薄晶体薄膜的生长形成。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，同时保持其形状和对衬底的粘附。将成分逐渐变化的铅锡混合物施加到生长溶液中，形成单晶薄膜的连续渐变电子带隙。

单晶钙钛矿薄膜可以实现更高效的柔性太阳能电池，如图所示。图片来源：雷雨生

钙钛矿位于夹在两层材料之间的中性机械平面上，允许薄膜弯曲。这种灵活性允许将单晶薄膜纳入高效柔性薄膜太阳能电池和可穿戴设备，为实现无电池无线控制的目标做出贡献。

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。

“进一步简化制造工艺和提高转移良率是我们正在努力解决的紧迫问题，”徐说。“或者，如果我们可以用功能性载流子传输层替换图案掩模以避免转移步骤，则可以大大提高整个制造良率。”

这项研究不是努力寻找化学试剂来稳定多晶钙钛矿的使用，而是表明使用标准纳米制造程序和材料制造稳定高效的单晶器件是可能的。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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