科技资讯写作大赛｜刘生忠教授Sci. China Chem.：120毫米单晶钙钛矿-面向可行的应用

材料人首届科技资讯写作大赛自5月13日发布征稿通知以来（参赛详情请戳我），受到读者们的广泛关注。本文是由SCI期刊Science China Chemistry编辑部投稿。

【背景介绍】

目前大型单晶硅晶片的发展已经改变了许多行业的进程，包括电子和太阳能电池。因此，大型单晶钙钛矿晶体和晶片的可用性将彻底改变其在光伏、光电子、激光、光电检测器、LED等领域的广泛应用。到目前为止，受大单晶（SC）材料的不可用限制，所有钙钛矿太阳能电池均基于微晶和非晶组分。由于微晶钙钛矿材料中存在大量晶粒、边界、空隙和表面缺陷，因此预计这些缺陷和重组位点会引起显著的效率损失。

【成果简介】

近日，来自陕西师范大学的刘生忠教授和杨周博士（共同通讯）等人发现了一种使得单晶钙钛矿长大的方法，包括单卤化物晶体：CH₃NH₃PbX₃   (X=I,  Br,  Cl)，双卤化物：CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_1−x)₃  和CH₃NH₃Pb(Br_xI_1−x)₃，最大的晶体长120毫米。另外，该团队还发现了一种将钙钛矿晶体分成薄晶片的方法。相关的研究成果以“120 Millimeter Single-Crystalline Perovskite and Wafers: To-wards Viable Applications”为题发表在了Science China Chemistry上。

【图文导读】

图1 材料表征

a）从 CH₃NH₃PbI₃晶体的生长溶液中获取的图片

b）大钙钛矿CH₃NH₃PbI₃晶体的PGC（〜50μm）的X射线衍射图和2θ扫描

c）晶片切片过程的示意图

d）大钙钛矿CH₃NH₃PbI₃晶体被切片

图2 SC钙钛矿材料的表征

a） 分别为MPTF、PGC、LSC、SCW的UV Vis NIR吸收光谱

b） MPTF、PGC、LSC、SCW的PL光谱

c）14个不同位置的PL光谱

d）在黑暗下显示VTFL扭结点行为I-V曲线

e）用PL均匀度测量的53.5 × 34.5 × 1.4 mm的CH₃NH₃PbI₃晶体

f）用捕捉状态密度测量的图片

g）霍尔效应测量图片

图3 SC钙钛矿的图片

a）CH₃NH₃Pb(Br_yI_1−y)₃（y=0-1）的图片

b）CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_1−x)₃（x=0-1）的图片

c,d）分别为CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_1−x)₃和CH₃NH₃Pb(Br_yI_1−y)₃的XRD图

图4 光学表征

a）CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_1−x)₃和CH₃NH₃Pb(Br_yI_1−y)₃粉末的UV Vis NIR吸收光谱

b）CH₃NH₃Pb(Cl_xBr_1−x)₃和CH₃NH₃Pb(Br_yI_1−y)₃粉末的PL光谱

c）卤素钙钛矿的能量取向

图5 单晶钙钛矿晶片和微晶钙钛矿薄膜光电探测器的表征

a，b）在单晶钙钛矿晶片上制造的24和28平面型光电探测器的图片

c，d）在1,2,4,6,8,10和12V的不同偏置电压下测量的检测器的光电流响应

e）单晶钙钛矿晶片与微晶之间光电流响应的比较

【总结】

本文开发了一种有效的技术来使得一系列大型钙钛矿型材料长大，随着半导体晶片成为太阳能电池、电子学、光电子性质的基础，大型钙钛矿晶片的可用性可能彻底改变其在太阳能电池、LED、激光器、光电探测器和其他光电器件中的应用。

【作者简介】

刘生忠，男，1963年生，宁夏平罗人，陕西师范大学教授、国家“千人计划”特聘教授。1983年获陕西师范大学理学学士学位，1986年获兰州大学理学硕士学位，1992年获美国西北大学工学博士学位，研究方向为物理化学。刘生忠教授的研究领域集中在纳米材料、薄膜材料、太阳能光伏材料、电光薄膜的电化学沉积、激光表面处理和光伏技术的开发、放大和生产。

研究成果发表在世界著名刊物上，包括美国的Science和英国的Nature。研究成果引起了广泛重视，其发表在Science上的C₆₀分子结构被国际著名杂志长期用作封面照片，发表在英国Nature上的成果被许多报纸、刊物报道评论，多篇论文成为被“最多引用的论文”（most cited paper）。主要发明和专利中有多项已转化成工艺和产品，其它大部分被应用在生产上，其中“透明太阳能薄膜电池”荣获号称“发明家的奥斯卡奖”的“世界最佳发明奖”（R&D 100）。1998年入选 “世界科学家工程师名人录”。2011年，刘生忠教授入选国家第六批“千人计划”创新人才长期项目。

主要成就：

High Efficiency, Large Area, Nanocrystalline Silicon Based, Triple-Junction Solar Cells, Mat. Res. Soc. Symp., (2011) 1321.

The Structure of the C₆₀ ¬molecule: X-ray crystal structure determination of a twin at 110K, Science, 254 (1991) 408.

Method of Manufacturing Thin Film Photovoltaic Modules, US patent 7259321.
Partially Transparent Photovoltaic Modules, US patent 6858461.

Ultra Lightweight Photovoltaic Device and Method For Its Manufacture, US patent 7517465.

文献链接：120 Millimeter Single-Crystalline Perovskite and Wafers: To-wards Viable Applications（Sci. China Chem., 2017, DOI:10.1007/s11426-017-9081-3 ）

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