加州大学圣地亚哥分校 转移过程中的单晶钙钛矿薄膜
信用:宇晟磊 加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开发了一种新方法，将钙钛矿制成单晶薄膜，这种薄膜在太阳能电池和光学器件中的使用效率高于目前最先进的多晶材料
他们的制造方法——使用标准的半导体制造工艺——产生了具有可控面积、厚度和成分的柔性单晶钙钛矿膜
与多晶薄膜相比，这些单晶薄膜显示出更少的缺陷、更高的效率和增强的稳定性，这使得钙钛矿可以用于太阳能电池、发光二极管和光电探测器
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发现
“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、该论文第一作者雷雨生说
“我们的方法是第一个能够高效精确控制单晶器件生长和制造的方法
这种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，进一步表明它与现有的工业程序兼容
" 钙钛矿是一类具有特殊晶体结构的半导体材料，显示出迷人的电子和光电特性，这使得钙钛矿在用于引导、检测或由光控制的器件中具有吸引力，例如太阳能电池、通信光纤或基于发光二极管的器件
分级单晶钙钛矿
信用:宇晟磊 “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、该论文的第一作者之一陈说
在制造过程中控制单晶钙钛矿的形式和组成是困难的
徐的实验室发明的方法能够利用现有的半导体制造工艺包括光刻技术来克服这个障碍
“现代电子产品，如手机、电脑和卫星，都是基于单晶硅薄膜材料，如硅、氮化镓和砷化镓，”徐说
单晶比多晶有更少的缺陷，因此有更好的电子传输性能
这些材料必须是薄膜，以便与器件的其他组件集成，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兼容
这对佩罗斯基来说是一个挑战
" 2018年，徐的团队首次成功地将钙钛矿集成到工业标准光刻工艺中；这是一个挑战，因为平版印刷术涉及水，而钙钛矿对水很敏感
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
在这项新的研究中，工程师们开发了一种在单晶水平上控制钙钛矿生长的方法，通过设计一种光刻掩模图案，允许在横向和纵向尺寸上进行控制
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体晶体衬底上蚀刻掩模图案
掩模的设计提供了控制超薄晶体膜形成生长的可见过程
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性
将成分逐渐变化的铅锡混合物施加到生长溶液中，产生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
信用:宇晟磊 钙钛矿位于夹在两层材料之间的中性机械平面，允许薄膜弯曲
这种灵活性允许将单晶薄膜结合到高效柔性薄膜太阳能电池和可穿戴设备中，有助于实现无电池无线控制的目标
他们的方法允许研究人员制造高达5微米的单晶薄膜
5厘米乘5厘米
同时控制单晶钙钛矿的厚度(范围从600纳米到100微米)以及厚度方向上的成分梯度
“进一步简化制造工艺和提高转移产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载体传输层来代替图案掩模，以避免转移步骤，则整个制造成品率可以大大提高
" 这项研究证明，使用标准的纳米加工程序和材料制造稳定高效的单晶器件是可能的，而不是寻找化学试剂来稳定多晶钙钛矿的使用
徐的团队希望进一步扩大这种方法的规模，以实现钙钛矿的商业潜力
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