Nano Lett.：具有任意形状微模块的无空洞钙钛矿光电器件

【引言】
有机无机杂化钙钛矿材料以其低成本、易制备、长载流子扩散长度和高载流子迁移率等优点，表现出在太阳能电池、LED、光电探测器和激光等光电运用的巨大前景，因而受到全世界的巨大关注。在许多光电应用，图形化不仅是功能上也是审美上目的。因此非常有必要发展一种制备有机无机杂化钙钛矿材料模块化的方法。传统的光刻技术是通过干湿刻蚀过程，这是目前半导体行业中微模块制作的最有效方法。然而，由于钙钛矿在不同溶剂中的溶解度差异以及有机基团的敏感性，使得已有的光刻技术无法直接运用于有机无机钙钛矿材料。

【成果简介】
近日，北京大学的龚旗煌教授和朱瑞研究员（共同通讯作者）等人在Nano Lett.期刊上提出了润湿性辅助光刻工艺（WPA），这项工艺确保了具有任意形状微模块的无空洞钙钛矿薄膜的制备。润湿性辅助光刻工艺采用光刻技术和一步溶液法沉积杂化钙钛矿，通过这种方法可以构建不同形状模块的平整无空洞杂化钙钛矿薄膜，可调整活性层的半透明电池的平均可见光透过率在20%至100%之间，基于这种模块化CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜的常规太阳能电池表明，WAP过程可以与光电器件工业化制造过程相媲美。

【图文导读】
图1、WAP工艺制备模块化CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜的过程示意图。

（a） 通过光刻制作聚三苯胺光刻掩模版
（b） 通过氯苯旋涂复制光刻掩模版的设计
（c） 通过DMF旋涂去除光刻掩模版
（d） 在光刻好的聚三苯胺掩模版表面，通过一步溶液旋涂法沉积CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜
（e） 通过氯苯旋涂去除聚三苯胺

图2、模块化的CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜的照片和SEM图片。

（a-c）CH₃NH₃PbI₃阵列单元的SEM图像。
（d）（e）分别为CH₃NH₃PbI₃和六单元CH₃NH₃PbI₃ PKU模块的SEM图像。
（f）阴刻CH₃NH₃PbI₃薄膜PKU模块的SEM图像。
（g）（h）分别为10um宽的CH₃NH₃PbI₃折线，10um宽、10um间隔微电极CH₃NH₃PbI₃薄膜。
（i）（j）塔状模块的CH₃NH₃PbI₃薄膜照片和SEM图。

图3、基于模块化钙钛矿常规太阳能电池的器件结构及性能表征。

（a） 基于模块化钙钛矿器件的结构示意图。
（b） AM 1.5G 下，基于不同活性层器件电流-电压特性。
（c） 模块化钙钛矿薄膜的照片。
（d） 在制备工程中，基于模块化钙钛矿器件高度剖面表征。

图4、基于模块化钙钛矿半透明器件结构及性能表征。

（a） 基于模块化钙钛矿半透明器件结构示意图。
（b） 器件结构横截面图。
（c） 钙钛矿单元边界的横截面SEM图。
（d） 连续的和模块化（钙钛矿覆盖率为44%）的钙钛矿薄膜光透过光谱。插图：上图为钙钛矿覆盖率为44%的模块化钙钛矿薄膜照片，下图为连续的钙钛矿薄膜照片
（e） AM 1.5G 下，基于不同活性层半透明器件的电流-电压特性。

【总结】
本文中发展一种润湿性辅助光刻工艺（WPA），并基于此种方法制备了模块化的钙钛矿薄膜和光电期间。WPA技术解决了半导体行业已有的光刻技术无法直接用于钙钛矿材料的问题。可以通过润湿性辅助光刻工艺（WPA）制备各种形状模块的平整无空洞的钙钛矿薄膜，WPA技术在工业化生产模块化的杂化钙钛矿具有非常好的前景。

文献链接：Pinhole-Free Hybrid Perovskite Film with Arbitrarily-Shaped Micro-Patterns for Functional Optoelectronic Devices  (Nano Lett., 2017, DOI:10.1021/acs.nanolett.7b00722）

本文由材料人电子电工学术组lyh_wv供稿，材料牛整理编辑。

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