钙钛矿单晶 柔性?

来源:X一MOL资讯发布时间:2020-08-25 14:03:07

钙钛矿无疑是当下材料领域的明星,有机-无机杂化钙钛矿具有引人瞩目电子和光电特性,在包括太阳能电池、发光二极管(LED)、光电探测器等许多设备中有着巨大的应用潜力。当前研究较多是多晶材料,但与之相比,单晶杂化钙钛矿材料的缺陷和晶界更少,具有更优的光生载流子输运能力和稳定性。因此,钙钛矿单晶薄膜的制备一直是材料研究的热点话题。不过,在制备过程中控制单晶钙钛矿的形貌和组成非常困难,低成本、满足现有工业标准的制备过程更是未见报道,这些都制约了单晶钙钛矿材料的进一步发展。

钙钛矿晶体。图片来源:Xu Research Group[1]

近日,美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)徐升(Sheng Xu)教授课题组在Nature杂志上发表论文报道了一种新策略,高效实现了杂化钙钛矿单晶薄膜的生长和制造,并可精确控制厚度(从600 nm到100 μm)、面积(可达5.5 cm×5.5 cm)以及厚度方向上的组成梯度(例如,从MAPbI3到MAPb0.5Sn0.5I3)。所制备的单晶杂化钙钛矿与直接生长在外延衬底上的钙钛矿的质量相当,并且具有一定的柔性(与厚度有关)。更重要的是,这种方法基于传统的半导体制造技术,不需要昂贵的设备,可以进一步与现有工业化制造工艺兼容,有很好的应用前景。

制备过程中的钙钛矿单晶薄膜。图片来源:UCSD[2]

研究者利用的制备方法被称为“基于溶液的刻印辅助外延生长和转移法(solution-based lithography-assisted epitaxial-growth-and-transfer)”。具体来说,以一块钙钛矿晶体(例如MAPbI3)作为衬底,其上覆盖一层通过刻印法刻蚀而图案化的聚合物膜(如Parylene)作为控制晶体生长的掩模(mask),再利用外延法在溶液中生长新的钙钛矿单晶。晶体会慢慢“长高”并在掩模上方扩展开,最终连接成没有晶界的单晶薄膜。

掩模存在下钙钛矿外延生长过程。图片来源:Nature

随后,生长出来的钙钛矿单晶薄膜可被剥离下来并随后转移至另外任意一种衬底上。XRD和光致发光光谱等测试显示,转移的单晶薄膜可以保持良好的结晶度,表面缺陷少,并且可以与衬底很好的粘附。

基于溶液的刻印辅助外延生长和转移法示意图及单晶薄膜表征。图片来源:Nature

其实,两年前徐升教授课题组就曾报道了外延和低温溶液法相结合,制备形貌、取向可控的MAPbBr3钙钛矿单晶阵列[3]。生长过程遵循台阶流模式,简单地说,晶体逐层生长,成核位置优先发生在各层台阶的边缘。其中就涉及到使用刻印来图案化聚合物薄膜,作为外延生长掩模。

有机-无机杂化钙钛矿的可控同质外延生长SEM图像。图片来源:Adv. Mater.[3]

我们最关心的,是这种方法到底好不好用。研究者以2 μm厚的聚合物层为掩模,生长出1 cm × 1 cm × 2 μm尺寸的单晶钙钛矿薄膜。如果换成更刚性的掩模,可以获得尺寸更大(5.5 cm × 5.5 cm)的单晶钙钛矿薄膜。该方法对不同的钙钛矿晶体具有良好的普适性,外延生长的温度可以从80 °C到160 °C。

大面积单晶钙钛矿薄膜。图片来源:Nature

单晶薄膜厚度对载流子输运性能有着很大的影响。从600 nm到2 μm,增加膜厚可以改善外量子效率(EQE),这是由于这个范围内的厚度增加可以使单晶薄膜集光能力增强、晶体质量变好。而在2 μm到5 μm厚度范围内,载流子收集效率成为主要限制因素,所以EQE随单晶薄膜厚度的增加而减小(下图a)。薄膜厚度对其光伏性能也有类似影响(下图b)。

薄膜厚度对载流子输运影响和及单晶的力学性质。图片来源:Nature

控制薄膜厚度,也可调控单晶钙钛矿薄膜的力学性能。将单晶钙钛矿薄膜夹在两层高分子材料之间,可以一定程度弯曲,较小厚度的薄膜具有较小的弯曲半径,这表明这种脆性晶体具有显著的柔性(上图e)。尽管单晶钙钛矿薄膜的柔性并非特别出色,但已经有希望应用于高效柔性薄膜太阳能电池和可穿戴设备中。

单晶钙钛矿薄膜弯曲测试示意图。图片来源:Nature

有趣的是,如果在生长溶液中加入成分逐渐变化的铅锡混合物,可以获得具有连续梯度带隙的单晶钙钛矿薄膜。研究者以MAPb0.5Sn0.5I3作为铅锡钙钛矿的浓度上限,制备了成分从MAPbI3逐渐过渡到MAPb0.5Sn0.5I3的梯度单晶薄膜。与传统的异质结不同,梯度层中不存在结构界面,梯度单晶中的陷阱密度与纯MAPbI3单晶相当,几乎比具有界面的传统异质结低两个数量级。

具有连续梯度带隙的单晶钙钛矿薄膜。图片来源:Nature

单晶钙钛矿薄膜可以应用于LED的制备,像素尺寸从1 μm到100 μm,在高分辨率、稳定性和量子效率的柔性显示器方面具有潜在的应用前景。同时,单晶钙钛矿薄膜还可应用于光伏器件。研究者制备了岛-桥式的柔性光伏器件阵列,每个0.5 cm × 0.5 cm的岛由金属桥互连。在初始反向扫描条件下,能量转换效率(PCE)最高值为20.04%。整个梯度单晶MAPb0.5+xSn0.5−xI3光伏阵列的PCE约为10.3%,工作面积约为9 cm2。

单晶钙钛矿薄膜光伏器件测试。图片来源:Nature

“现代电子产品,如手机、电脑甚至卫星,都是基于硅、氮化镓和砷化镓等材料制成的单晶薄膜,单晶的缺陷更少,电子传输性能更好”,徐升教授说,“进一步简化制造过程和提高转移产率是我们正在努力解决的问题,如果我们能用功能性载流子传输层取代图案化的掩模以避免转移步骤,整个过程的生产率可以大大提高”。

基于单晶钙钛矿薄膜的柔性太阳能电池。图片来源:UCSD[2]

责任编辑:niupengzhen
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
从高温高湿到干热沙尘,极电“创势”钙钛矿组件完成“双极境”实证大考来源:极电光能 发布时间:2026-09-21 09:55:43

本文报道了极电光能“创势”钙钛矿光伏组件在CTC国检集团海南(高温高湿、强辐照、高盐雾、多台风)和吐鲁番(干热、强风沙、极端高温达49.23℃)两大国家级户外实证基地完成的“双极境”实证测试结果。实证周期覆盖2025年12月至2026年8月,涵盖冬夏两季及多种复杂气象。数据显示,“创势”组件在两地均保持发电性能稳定,未出现明显衰减,平均系统效率(PR值)超90%;其弱光响应好、温度系数优异、防积灰与防热斑设计有效,展现出突出的湿热稳定性与干热沙尘环境适应性。该实证为钙钛矿光伏技术产业化提供了关键可靠性验证。

钙钛矿光伏领域首个国家标准发布来源:市场监管总局 发布时间:2026-09-21 08:52:42

我国首个钙钛矿光伏领域国家标准《GB/T 6495.12—2026》正式发布,将于2027年实施。该标准聚焦钙钛矿光伏电池及组件的电流-电压(I-V)特性测量,旨在解决其性能易受光照和电压影响、测试结果不稳定、面积定义不统一等关键问题。针对钙钛矿器件动态响应特性,标准系统规定了测试设备要求、测试前稳定化处理流程,并区分实验室研发与量产需求,提出快速测量法及最大功率点追踪、十点准稳态拟合(仲裁法)、渐进法等准稳态测试方法。同时,统一总面积与光阑面积定义,规范效率计算方式,确保不同机构测试结果具备可比性与可复现性。该标准填补了国内钙钛矿光伏标准化测试空白,为检测认证、产品研发、产线质控和国际贸易提供统一技术依据,支撑产业化发展与国际标准协同推进。(199字)

推进多场景试点应用!《江苏省推进钙钛矿光伏电池试点应用实施方案》发布来源:江苏省发改委 发布时间:2026-09-20 09:09:30

江苏省于2026年9月14日印发《推进钙钛矿光伏电池试点应用实施方案》,明确以多场景验证为路径,加快钙钛矿光伏技术工程化落地。方案提出到2030年,建成一批技术先进、效益显著的试点项目,形成全国领先的创新与应用试点体系。重点布局五大应用场景:“钙钛矿光伏+交通设施”,推动铁路、公路、港口及车载光伏应用;“+建筑”,推广光伏瓦、幕墙等BIPV产品;“+矿区”,结合生态修复实现能源开发与环境治理协同;“+海上风光同场”,开展高盐雾、高湿热环境实证;以及“+其他”,拓展至零碳园区、农(渔)光互补、可穿戴设备和航空航天等领域。配套强化项目试点、政策激励、市场消纳与标准认证四大支撑举措,全面助力钙钛矿光伏产业化与绿色低碳发展。(198字)

全球钙钛矿竞速,晶灵以唯一材料合作方进入澳洲国家级项目!来源:投稿 发布时间:2026-09-18 14:45:50

钙钛矿-晶硅叠层电池产业化加速,晶灵科技作为唯一中国材料方参与澳大利亚630万澳元国际攻关项目。其高纯度微晶材料已量产供货,多项技术创世界纪录,并布局太空光伏、BIPV等前沿场景,推动钙钛矿材料自主可控与全球验证。

单晶硅片:上下游僵持博弈 硅片价格持稳运行来源:中国有色金属工业协会硅业分会 发布时间:2026-09-18 09:14:47

本文介绍了当前单晶硅片市场的运行状况与供需格局。本周各主流型号N型硅片(G10L、G12R、G12)价格均环比持平,分别报1.01元/片、1.03元/片和1.15元/片;下游电池片与组件价格亦保持稳定。市场整体观望情绪浓厚,成交清淡,呈现上下游僵持博弈态势:供应端受多晶硅料价格坚挺支撑,硅片厂商挺价意愿强、降价意愿弱;需求端则因海外及国内终端需求疲软,下游以消化库存为主,仅少量刚需采购。行业开工率总体平稳,一线及一体化企业维持在52%—60%区间。后市预计硅片价格仍将持稳,关键取决于后续供需变化及多晶硅原料价格走势。(198字)

国内首次柔性钙钛矿光伏组件级在轨验证启动来源:炎和科技 发布时间:2026-09-18 08:41:14

9月17日,我国在酒泉卫星发射中心成功发射快舟十一号遥三火箭,将天仪51星与52星送入预定轨道。其中,炎和科技自主研发的柔性钙钛矿光伏组件搭载天仪52星进入太空,正式启动国内首次组件级柔性钙钛矿光伏在轨工程化验证。该试验聚焦空间极端环境下的全工况考核,包括高真空、±100℃温度循环、高能粒子辐照及原子氧侵蚀等多因素耦合条件,重点评估组件在热循环疲劳、辐照退化和机械震动下的电学输出特性、连接可靠性与力学稳定性。所有核心性能参数通过星上遥测系统实时回传。区别于以往小尺寸器件的原理性验证,本次任务首次面向工程应用,覆盖电学、连接、力学三大维度,旨在填补国内商业航天领域柔性钙钛矿光伏在轨工程数据空白,标志该技术由实验室研究正式迈入工程化应用验证阶段。(198字)

“链”上发力!极电光能牵头大面积柔性钙钛矿生态型创新联合体成功获批来源:极电光能 发布时间:2026-09-17 09:49:03

近日,由极电光能牵头组建的“无锡市大面积高效柔性钙钛矿太阳能电池与装备技术创新联合体”成功入选2026年度无锡市生态型创新联合体拟建设名单。该联合体聚焦柔性钙钛矿光伏技术产业化瓶颈,如大面积制备、效率与稳定性协同提升及装备适配等共性难题,联合上下游企业、重点高校共同开展系统攻关。作为无锡市“链主”企业,极电光能依托“极创+”量产技术体系,已形成覆盖设计、设备、工艺到运维的全价值链整线解决方案,支撑技术快速向产线转化。此次获批标志着其角色从承担具体任务的技术攻关者,升级为统筹资源、组织协同的产业链创新引领者,旨在提升无锡钙钛矿产业创新集群整体竞争力。(198字)

“货”力全开!极电钙钛矿组件全球交付稳步提速来源:极电光能 发布时间:2026-09-16 09:24:41

文章介绍了极电光能钙钛矿光伏组件在全球范围内的加速交付与商业化进展。公司近期完成对江苏、安徽、广东等国内多地及日本、新加坡等海外项目的批量供货,涵盖分布式、集中式及建筑光伏一体化(BIPV)等多种应用场景。其2.81m²“创势”组件凭借低温度系数、优异弱光性能,有效适配华东华南高温多雨环境及新加坡高密度城市空间需求,并已通过IEC、CCC、cTÜVus及欧盟RoHS等多项国际认证。依托GW级量产线稳定运行,极电光能正推动钙钛矿技术从示范验证迈向规模化、全球化应用,持续为区域绿色能源建设提供高性能解决方案。(199字)

单晶硅片:上下游观望为主 硅片价格暂稳运行来源:中国有色金属工业协会硅业分会 发布时间:2026-09-11 09:14:39

本文介绍了当前单晶硅片市场的运行情况与短期展望。本周N型G10L、G12R及G12三种主流规格硅片价格均持平,分别报1.01元/片、1.03元/片和1.15元/片;下游电池片(0.29–0.31元/W)与组件(0.69–0.71元/W)价格亦保持稳定。市场整体观望情绪浓厚,实际成交有限,仅部分企业有少量订单。价格维稳源于两方面:上游多晶硅价格相对稳定,成本支撑较强,厂商挺价意愿明显;但下游需求疲软,电池厂以压价、小批量刚需采购为主,供需矛盾尚未缓解。行业开工率总体持平,一线及一体化企业开工率在52%–60%区间。后市预计仍将偏弱运行,需重点关注供需变化及多晶硅价格走势。

包头市:布局钙钛矿、叠层等新一代太阳能电池技术来源:包头市人民政府 发布时间:2026-09-11 08:49:42

包头市于9月8日发布《“十五五”时期推动清洁能源产业高质量发展行动方案》,旨在加快构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系,助力老工业基地绿色转型。方案提出到2030年实现新能源并网装机2400万千瓦、储能装机750万千瓦的发展目标,并围绕供给提升、储能扩容、风光制氢、传统能源清洁利用及生物质开发五大方向部署重点任务。在装备升级方面,强调做优晶硅光伏配套(如铝边框、多晶硅芯),同时前瞻性布局钙钛矿、叠层等新一代太阳能电池技术产业,推动技术迭代与本地化配套。此外,方案还系统规划了电网强化、氢能管网、充换电设施、创新平台建设及产业生态优化等支撑举措,突出以新质生产力引领清洁能源全产业链高质量发展。(199字)

西南地区首个工业级钙钛矿/晶硅叠层光伏实证项目落地云南来源:钙钛矿光链 发布时间:2026-09-09 09:24:56

西南地区首个工业级钙钛矿/晶硅叠层光伏实证项目在云南丽江落地,依托云南省重大科技专项“绿氢高效制备关键技术研究及应用”,由昆明理工大学、三峡集团云南公司与仁烁光能联合实施。项目突破两大核心技术瓶颈:一是研发出稳定性显著提升的钙钛矿/硅叠层太阳能电池,光电转化效率达33%,双85老化1100小时后性能保持率超90%;二是开发出高性能钴基非贵金属电解水催化剂,实现大电流下高效稳定制氢。配套建成1000Nm³/h“光伏直连制氢”示范工程,年产绿氢320吨,并投运高原适用的集装箱式氢燃料电池热电联产系统,形成覆盖“发电—制氢—储运—用能”的全链条零碳微循环模式。(199字)