央廣網(wǎng)大連10月14日消息（記者田彤 賈鐵生）近日，由中國科學院大連化學物理研究所劉生忠研究員帶領的團隊與陜西師范大學合作，利用升溫析晶法，首次制備出超大尺寸單晶鈣鈦礦CH3NH3PbI3晶體，尺寸超過2英寸（大于71 mm），這是世界上首次報導尺寸超過0.5英寸的鈣鈦礦單晶。相關結(jié)果在線發(fā)表在《先進材料》期刊 (Adv. Mater. 2015, 27 (35), 5176-5183. doi:10.1002/adma.201502597)上。期刊主編給予該文章高度評價并撰寫了亮點性評論，該評論已經(jīng)在線發(fā)表在MaterialsViews網(wǎng)站上（http://www.materialsviews.com/supersize-single-crystalline-perovskite-crystals-adma-201502597/）。 

　　能源是社會發(fā)展的基石，是維系人類生活各個方面的基礎。目前，世界范圍內(nèi)的能源供給主要依靠化石能源。由于其有限儲量和消耗過程中對環(huán)境造成的危害，尋找清潔的、可持續(xù)的能源供給成為世界各國的共識。太陽能作為一種能量豐富、清潔的能源成為人類最佳的選擇。合理、有效地利用太陽能是解決人類能源和環(huán)境問題的重要途徑。目前，對太陽能的利用方式包括太陽能光熱、太陽能光伏電池、太陽能制氫等方式。其中，太陽能光伏發(fā)電技術可以直接將太陽光的能量轉(zhuǎn)換成電能，可以實現(xiàn)與當前供電網(wǎng)的無縫連接，是最便捷的利用太陽能方式。

　　到目前為止，商用太陽能電池產(chǎn)品已經(jīng)有超過60年的歷史，從最初僅限于航天領域應用，已經(jīng)發(fā)展成為一種廣泛應用的技術。這主要歸因于太陽能電池技術成本的降低和人類對能源供給認識的提高。盡管太陽能發(fā)電技術的成本已經(jīng)有了大幅的降低，但較其他能源供給的價格還是偏高。開發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)電成本低的太陽能電池器件是人類一直在追尋的一個目標。

　　近年來的研究發(fā)現(xiàn)，具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的甲氨基鹵化鉛材料CH3NH3PbX3 (X=Cl, Br, I)，由于具有很高的光吸收系數(shù)、很長的載流子傳輸距離、非常少的缺陷態(tài)密度等優(yōu)異性質(zhì)，在光伏材料、激光材料和發(fā)光材料等方面展現(xiàn)出極大的應用價值，成為國際上極為重要的研究熱點材料之一。目前，經(jīng)過美國國家能源部可再生能源實驗室（NREL）認證的鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到20.1%，已接近單晶硅太陽能電池的效率。同時，基于鈣鈦礦材料的激光和發(fā)光器件也有報道，顯示出鈣鈦礦材料在光電領域的廣闊應用前景。然而，現(xiàn)在基于微晶或非晶薄膜的鈣鈦礦太陽能電池及其他光電器件仍然面臨的巨大的挑戰(zhàn)，如對水蒸氣敏感、對大氣、熱、紫外光等不夠穩(wěn)定等。微晶鈣鈦礦薄膜中存在很多晶粒、晶界、孔隙和表面缺陷會造成載流子的復合，是進一步提高太陽能轉(zhuǎn)換效率及其他光電器件性能需要解決的關鍵問題。

　　針對上述問題，劉生忠研究團隊發(fā)展了大尺寸鈣鈦礦單晶生長方法，并成功制備出超大尺寸單晶鈣鈦礦CH3NH3PbI3晶體，尺寸超過2英寸（71 mm），這是世界上首次報導尺寸超過0.5英寸的鈣鈦礦單晶。通過在室溫下進行的高分辨XRD、光學測試，發(fā)現(xiàn)CH3NH3PbX3（X=Cl, Br, I）鈣鈦礦晶體材料具有非常高的結(jié)晶質(zhì)量和更好的光吸收范圍（相較于薄膜樣品），并首次發(fā)現(xiàn)CH3NH3PbCl3材料在402nm處的發(fā)光峰。進一步的TGA和DSC表征結(jié)果顯示出CH3NH3PbI3晶體比薄膜材料具有更高的熱穩(wěn)定性。以上研究結(jié)果表明，這種超大尺寸的單晶體CH3NH3PbX3(X = Cl, Br, I)在研發(fā)高性能光電器件方面具有很大的商業(yè)應用價值。

　　在該論文發(fā)表的同時，《先進材料》 的一位主編對該項工作給予高度評價。評論指出，該論文首次報導了尺寸大于0.5英寸的鈣鈦礦單晶，這使得直接比較多晶薄膜和單晶之間在性質(zhì)上的差異成為可能。研究結(jié)果表明，相較于多晶鈣鈦礦薄膜，鈣鈦礦單晶顯示出了更好的熱穩(wěn)定性、更寬的光吸收范圍、較低的空穴濃度以及較高的載流子遷移率，這些性質(zhì)可能與單晶材料中不存在晶界、孔隙和較低的表面缺陷態(tài)密度有關。鑒于單晶材料這些優(yōu)良的特性，可以預期采用單晶制作的鈣鈦礦太陽能電池可以獲得更好的光電轉(zhuǎn)換效率；同時，由于晶體的完整性和較少的缺陷，單晶器件也具有更佳的穩(wěn)定性。最后，MaterialViews的結(jié)論指出，由于單晶材料是現(xiàn)代半導體工業(yè)、電子工業(yè)和光電工業(yè)的基礎，具有優(yōu)良性能的鈣鈦礦單晶材料有可能實現(xiàn)對多晶鈣鈦礦基器件的革新，推動光電器件的新一輪革命。