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]


索比光伏网 https://news.solarbe.com/202008/25/329592.html
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
极电姜伟龙:从地面实证到苍穹蓝图,极电光能引领钙钛矿价值多维进阶来源:极电光能 发布时间:2026-08-10 09:59:50

极电光能副总裁姜伟龙博士在无锡太空光伏论坛发布钙钛矿太空应用路线图,提出“稳定性、发电能力、轻质柔性、设计弹性”四大基本功,披露大庆实证数据及“创势S2-玄甲”高强度组件进展,并规划2025—2030年三阶段太空验证与产业化路径。

上海叶烁数字喷墨与爱旭股份联合技术攻关 ——喷墨打印钙钛矿薄膜均匀性精准调控来源:索比光伏网 发布时间:2026-08-07 16:14:13

本文介绍了上海叶烁数字信息技术公司与光伏企业爱旭股份联合攻关钙钛矿/晶硅叠层电池量产难题的成果。针对大绒面晶硅底电池上钙钛矿薄膜均匀成膜难的核心瓶颈,双方构建了“设备–材料–工艺”三位一体协同优化体系:设备端通过高耐腐墨路系统与智能化波形调控,实现皮升级墨滴体积变异系数<3%;材料端建立溶剂挥发动力学模型,精准匹配喷头流变窗口(Z≈2–6),抑制咖啡环效应;工艺端创新引入毫秒级预结晶技术,消除湿膜梯度,提升结晶均一性。该方案已实现实验室1 cm²器件约30%转换效率,并在210×105 mm²大面积薄膜中达成PL映射相对标准差低至2.4%,验证了喷墨打印技术迈向GW级量产的可行性与可靠性。

隆基成为拜仁慕尼黑全球官方合作伙伴来源:隆基绿能 发布时间:2026-08-07 10:01:54

8月6日,隆基绿能与拜仁慕尼黑足球俱乐部在香港正式宣布建立全球官方合作伙伴关系。此次合作以“POWER ON, GAME ON”为主题,分别呼应隆基推动清洁能源普及的使命与拜仁追求卓越的竞技精神。作为全球光伏技术领军企业,隆基凭借晶硅-钙钛矿叠层电池35.5%的转换效率世界纪录及连续26个季度AAA可融资性评级,彰显其技术实力;拜仁则以百年历史、“Mia san Mia”文化及全球影响力成为体育标杆。双方将围绕联合推广、球迷互动及可持续发展展开协作,并探讨将隆基太阳能解决方案应用于拜仁训练设施等场景。该合作是隆基继柏林马拉松后本年度在欧洲体育领域的第二项重要布局,亦体现其高端户用品牌EcoLife在欧洲市场的深入拓展。

突破31%!钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池新纪录:双界面工程助力效率与稳定性双丰收来源:钙钛矿材料和器件 发布时间:2026-08-06 08:36:09

本文报道了我国科研团队在钙钛矿/CIGS叠层太阳能电池领域取得的重大突破:通过创新性提出“双界面载流子传输工程”(DICTE)策略,同步优化底部(空穴侧)与顶部(电子侧)界面,成功将小面积器件效率提升至31.09%(认证30.57%),大面积器件达28.85%,并显著增强长期稳定性——未封装器件在氮气环境中储存3576小时后效率保持94%,70°C热老化960小时后仍超90%,最大功率点跟踪756小时后保持91%。研究针对CIGS表面粗糙导致钙钛矿成膜不均、界面能级失配及缺陷复合等核心瓶颈,分别采用双层NiOₓ空穴传输层实现保形覆盖与高效空穴提取,以及EDADI/p-F-PEAI双分子协同钝化改善电子传输与能带匹配,系统解决了效率与稳定性难以兼顾的难题,为叠层光伏实用化提供了新路径。(199字)

单体最大!极电光能6.7MW钙钛矿屋顶分布式光伏项目成功并网来源:极电光能 发布时间:2026-08-05 09:53:21

7月31日,极电光能宛山湖园区6.7MW钙钛矿屋顶光伏项目并网,创钙钛矿单体商业化最大纪录。年发电656万度,减排CO₂8.81万吨。项目融合屋顶、幕墙、车棚等全场景BIPV应用,节能率达86.18%,树立零碳园区新标杆。

1GW钙钛矿光伏生产基地落地湖南常德来源:湖南可再生能源学会 发布时间:2026-08-05 09:04:49

本文报道了湖南省在“项目大谋划、谋划大项目”行动中推进重大项目建设的最新进展。7月30日,湖南省发改委在长沙举办重大项目第二次路演活动,集中展示50个重点优质项目,涵盖主导产业升级、新质生产力培育和绿色低碳转型等领域。其中,炎和科技拟投资8亿元,在常德高新区建设总产能1GW的钙钛矿光伏生产基地,一期已建成全球首条100MW消费级钙钛矿光伏全自动黑灯工厂并投产,二期、三期正规划建设;岳阳临一云川高空风能发电装备制造项目二期总投资约10亿元,达产后年产高空风电装备超50台套,助力完善新能源装备制造产业链。湖南将持续强化要素保障与机制建设,推动优质项目落地转化。

北京大学材料科学与工程学院周欢萍团队在钙钛矿太阳能电池领域取得重要进展来源:北京大学材料科学与工程学院 发布时间:2026-08-04 10:11:25

北京大学周欢萍团队针对钙钛矿太阳能电池因软晶格和低缺陷形成能导致的界面缺陷多、稳定性差等关键瓶颈,提出一种基于氩气/四氟化碳混合等离子体的表面工程新策略。该方法分两步实现原位界面重构:先以Ar等离子体物理刻蚀去除表面缺陷层,再利用CF₄等离子体产生的活性氟与未配位铅离子反应,构筑4–7纳米厚、连续致密且强键合的氟化铅钝化层。该钝化层显著降低界面缺陷密度(降幅约90%),提升载流子寿命与能级匹配,从而同步增强效率与稳定性。小面积电池效率达27.2%,100 cm²模组认证效率为23.5%;器件在高温、光照、紫外及循环老化等多条件下展现出优异长期稳定性。研究成果发表于《Science》。

协鑫光电D1轮超亿元融资收官来源:协鑫科技 发布时间:2026-08-03 10:35:06

协鑫光电完成D1轮超亿元融资,将加速地面光伏商业化及太空光伏验证。作为全球钙钛矿产业化先行者,其2㎡叠层组件效率达27%,大面积叠层效率突破30.23%,柔性组件创世界纪录,并获IEC双标认证,开启规模化应用新阶段。

通威受邀出席2026第四届DeCarbon低碳科学国际会议来源:通威集团 发布时间:2026-08-03 09:21:44

通威股份在青岛DeCarbon会议上发布钙钛矿-硅叠层电池重大进展:210半片电池效率达32.19%,组件功率突破776W;首创兼容HJT产线的两步法工艺,攻克绒面成膜难题;建成行业首条5MW试验线,获国家高层关注。展现中国光伏下一代技术引领力。

钙钛矿—有机叠层太阳能电池研究取得新突破来源:人民日报 发布时间:2026-08-03 09:13:49

本文报道了中国科学院化学研究所李永舫院士与孟磊研究员团队在钙钛矿—有机叠层太阳能电池领域取得的重要进展。该团队成功研制出稳态光电转换效率达28.04%的新型叠层器件,成果发表于《自然》期刊。此类电池由宽带隙钙钛矿子电池与窄带隙有机子电池串联构成,旨在拓宽光谱响应、突破单结电池的理论效率极限。针对长期制约其性能的宽带隙钙钛矿前电池电压损失大、光照下易发生相分离及稳定性差等关键问题,研究团队提出“全阶段调控”策略,通过引入可光转换的添加剂分子,优化钙钛矿组分混合均匀性,并增强其与表面的结合力,从而显著抑制相分离、提升电压输出与运行稳定性。

京运通:乐山单晶项目一期满五年,正协商股权回购展期来源:京运通公告 发布时间:2026-07-31 06:34:21

京运通于2020年与乐山市政府及五通桥区政府签署投资协议,分两期建设乐山24GW单晶拉棒、切方项目;其中一期12GW项目由京运通与乐山高新投合资设立乐山新材料公司(京运通持股70%,高新投持股30%)。协议约定,自一期项目正式投产起五年内,京运通有权回购高新投所持30%股权;若未在期限内发出回购通知,则以满五年当日为默认回购日,京运通须全额受让该部分股权。截至2026年7月30日,一期项目投产已满五年,公司正与乐山高新投就股权回购事宜展开协商,并探讨展期可能性。后续进展将依规及时披露。