Ny fremstillingsmetode bringer enkeltkrystal perovskit-enheder tættere på levedygtighed

Nanoingeniører ved UC San Diego udviklede en ny metode til at fremstille perovskiter som enkelt-krystal tynde film, som er mere effektive til brug i solceller og optiske enheder end de nuværende state-of-the-art polykrystallinske former af materialet.

Deres fremstillingsmetode - som bruger standard halvlederfremstillingsprocesser - resulterer i fleksible enkeltkrystal perovskitfilm med kontrolleret areal, tykkelse, og sammensætning. Disse enkeltkrystalfilm viste færre defekter, større effektivitet, og forbedret stabilitet end deres polykrystallinske modstykker, som kan føre til brug af perovskiter i solceller, LED'er, og fotodetektorer.

Forskere ved professor Sheng Xus Jacobs School of Engineerings nanoingeniørlaboratorium offentliggjorde deres resultater den 29. juli i Natur .

"Vores mål var at overvinde udfordringerne med at realisere enkelt-krystal perovskite-enheder", sagde Yusheng Lei, en nanoingeniørstuderende og førsteforfatter af papiret. "Vores metode er den første, der præcist kan styre væksten og fremstillingen af ​​enkeltkrystal-enheder med høj effektivitet. Metoden kræver ikke fancy udstyr eller teknikker - hele processen er baseret på traditionel halvlederfremstilling, yderligere angiver dets kompatibilitet med eksisterende industrielle procedurer."

Perovskites er en klasse af halvledermaterialer med en specifik krystallinsk struktur, der demonstrerer spændende elektroniske og optoelektroniske egenskaber, som gør perovskites tiltalende til brug i enheder, der kanaliserer, opdage, eller styres af lys - solceller, optisk fiber til kommunikation, eller LED-baserede enheder, for eksempel.

"I øjeblikket, næsten alle metoder til fremstilling af perovskit er fokuseret på polykrystallinske strukturer, da de er nemmere at producere, selvom deres egenskaber og stabilitet er mindre fremragende end enkeltkrystalstrukturer", sagde Yimu Chen, en nanoingeniørstuderende og medførsteforfatter af papiret.

Det har været vanskeligt at kontrollere formen og sammensætningen af ​​enkeltkrystalperovskitter under fremstillingen. Metoden, der blev opfundet i Xus laboratorium, var i stand til at overvinde denne vejspærring ved at drage fordel af eksisterende halvlederfremstillingsprocesser, herunder litografi.

"Moderne elektronik såsom din mobiltelefon, computere, og satellitter er baseret på en-krystal tynde film af materialer såsom silicium, galliumnitrid, og galliumarsenid, " sagde Xu. "Enkeltkrystaller har færre defekter, og dermed bedre elektronisk transportydelse, end polykrystaller. Disse materialer skal være i tynde film for integration med andre komponenter i enheden, og at integrationsprocessen skal være skalerbar, lavpris, og ideelt forenelig med de eksisterende industrielle standarder. Det havde været en udfordring med perovskites."

I 2018, Xus team var det første, der med succes integrerede perovskiter i den industrielle standard litografiproces; en udfordring, da litografi involverer vand, som perovskitter er følsomme overfor. De kom uden om dette problem ved at tilføje et polymerbeskyttelseslag til perovskitterne efterfulgt af tørætsning af beskyttelseslaget under fremstillingen. I denne nye forskning, ingeniørerne udviklede en måde at kontrollere væksten af ​​perovskitterne på enkeltkrystalniveau ved at designe et litografisk maskemønster, der tillader kontrol i både laterale og vertikale dimensioner.

I deres fremstillingsproces, forskerne bruger litografi til at ætse et maskemønster på et substrat af hybrid perovskit bulkkrystal. Maskens design giver en synlig proces til at kontrollere væksten af ​​den ultratynde krystalfilmdannelse. Dette enkeltkrystallag pilles derefter af bulkkrystalsubstratet, og overføres til et vilkårligt substrat, mens dets form og vedhæftning til substratet bibeholdes. En bly-tin-blanding med gradvist skiftende sammensætning påføres vækstopløsningen, skabe et kontinuerligt graderet elektronisk båndgab af den tynde enkeltkrystalfilm.

Perovskitten ligger i det neutrale mekaniske plan, der er klemt mellem to lag af materialer, lader den tynde film bøjes. Denne fleksibilitet gør det muligt at inkorporere enkeltkrystalfilmen i højeffektive fleksible tyndfilmsolceller, og i bærbare enheder, bidrager til målet om batterifri trådløs kontrol.

Deres metode giver forskere mulighed for at fremstille tynde enkeltkrystalfilm op til 5,5 cm gange 5,5 cm firkanter, mens de har kontrol over tykkelsen af ​​enkeltkrystalperovskitten - lige fra 600 nanometer til 100 mikron - samt sammensætningsgradienten i tykkelsesretningen.

"Yderligere forenkling af fremstillingsprocessen og forbedring af overførselsudbyttet er presserende spørgsmål, vi arbejder på, " sagde Xu. "Alternativt, hvis vi kan erstatte mønstermasken med funktionelle bærertransportlag for at undgå overførselstrinnet, hele fabrikationsudbyttet kan i høj grad forbedres."

I stedet for at arbejde på at finde kemiske midler til at stabilisere brugen af ​​polykrystallinske perovskitter, denne undersøgelse viser, at det er muligt at lave stabile og effektive enkrystalenheder ved hjælp af standard nanofabrikationsprocedurer og -materialer. Xus team håber på at skalere denne metode yderligere for at realisere det kommercielle potentiale af perovskites.