近日，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)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(yáng)能電池，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然—能源》。
中國(guó)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(jìn)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(bào)道了通過(guò)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(guò)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(guó)科學(xué)報(bào)》，這一工作基于離子液體調(diào)控分子間相互作用力，首次實(shí)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(jī)制、光學(xué)特征、物相分布以及器件性能。
近年來(lái)，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(yáng)能電池的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，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(shí)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(duì)鈣鈦礦器件的進(jìn)一步應(yīng)用有著很大的限制。
因此，科學(xué)家們長(zhǎng)期致力于制備純相二維鈣鈦礦薄膜并研究其對(duì)于光電性能的影響。事實(shí)上，盡管鈣鈦礦前驅(qū)體溶液是嚴(yán)格按照化學(xué)計(jì)量比配置的，但仍難以在沉積的過(guò)程中直接形成目標(biāo)設(shè)計(jì)的純相量子阱薄膜。
合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新性地使用一種離子液體有機(jī)胺鹽替代傳統(tǒng)的鹵素有機(jī)鹽，實(shí)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(zhǎng)的微米級(jí)二維層狀鈣鈦礦薄膜，而且可實(shí)現(xiàn)有效的層間電荷傳輸，具有優(yōu)異的太陽(yáng)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(guò)采用新型離子液體有機(jī)胺鹽和巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，獲得純相量子阱結(jié)構(gòu)，并對(duì)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。”陳永華介紹說(shuō)，通過(guò)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(jí)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(jìn)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(qiáng)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(shí)，研究人員構(gòu)建的平面型太陽(yáng)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(yáng)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(jìn)太陽(yáng)能電池和其他鈣鈦礦基光電器件（如探測(cè)器、發(fā)光二極管、激光器）的發(fā)展，為其性能進(jìn)一步提升提供了新思路。