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钙钛矿激光精确制造

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  • 发布时间:2020-05-03 22:15
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【概要描述】钙钛矿是近年来发展最近迅速的明星材料之一。由于其极其优异的性能,该材料在光电等领域被认为具有颠覆传统材料的巨大潜力。以太阳能电池为例,目前传统硅基太阳能电池的光电转换效率实验室逼近25%,规模生产普遍在15%,而且这还是全球科研人员经过长达五十年努力的结果。

钙钛矿激光精确制造

【概要描述】钙钛矿是近年来发展最近迅速的明星材料之一。由于其极其优异的性能,该材料在光电等领域被认为具有颠覆传统材料的巨大潜力。以太阳能电池为例,目前传统硅基太阳能电池的光电转换效率实验室逼近25%,规模生产普遍在15%,而且这还是全球科研人员经过长达五十年努力的结果。

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钙钛矿是近年来发展最近迅速的明星材料之一。由于其极其优异的性能,该材料在光电等领域被认为具有颠覆传统材料的巨大潜力。以太阳能电池为例,目前传统硅基太阳能电池的光电转换效率实验室逼近25%,规模生产普遍在15%,而且这还是全球科研人员经过长达五十年努力的结果。

而基于钙钛矿的太阳能电池,在短短的十年之内,其光电转换效率便从不足4%跃升至逼近30%,未来更有望突破50%。让这样一种具有巨大前景的材料尽快地从实验室走向应用,是各国竞相研发的目标。应用离不开制造,大批量高精度制造是该材料能够在众多领域得到广泛应用的关键。

尽管已经有各种方法来制造高质量钙钛矿材料,然而这些方法几乎都集中于化学合成,离大规模精确制造尚有较远的距离。光刻技术在精确制造半导体器件方面具备其他众多技术难以比拟的优势,特别是在制造精度和大规模集成方面。基于光刻制造,众多半导体材料包括硅等迅速成长为光电技术应用的中坚砥柱。

作为半导体材料中的一员,如何利用光刻技术制造钙钛矿器件是大幅度提升其应用潜能的必经之路。与硅等半导体材料不同的是,钙钛矿的优异性能几乎都是在纳米尺度下展示出来的。如何利用光刻技术精确制造纳米尺度钙钛矿器件将面临与利用光刻技术制造硅器件所不同的问题,这个问题就是需要在制造的过程中确保所获得的钙钛矿均在纳米尺度。

研究中心的甘棕松教授团队长期以来专注于研究先进光刻技术及其在工业领域中应用。针对上述问题,甘棕松教授团队进行了长期的研究,并提出了解决问题的激光光刻局域成型方法。该方法前期经过在其他半导体纳米材料激光制造上的初步验证后,最终实现了在钙钛矿材料上的实验验证。

该研究成果以“In situ localized formation of cesium lead bromidenanocomposites for fluorescence micro-pattering technology achieved by organicsolvent polymerization”为题,发表在近期Journal of Materials Chemistry C期刊上。

该论文共同通讯作者甘棕松教授谈到:“该项工作展示了跨领域合作对于促进技术进步的价值。我本人在钙钛矿材料方面以前是没有任何研究经历的。尽管我对钙钛矿材料所展示出来的优异性能和潜在价值非常有兴趣,但是仅仅研究钙钛矿显然是超过我们自己研究范围的。自2017年加入华中科技大学以来,我们在光刻技术方面做了大量的工作。除了进行基础技术研究,我们还全力研制属于我们自己的光刻装备。尽管与直接采购国外设备相比,这是一个漫长的过程。但我们深知这样的装备对于解决具体实际问题具有商用设备不可替代的优势。比如我们可以有针对性地改造和升级。同时我们还和企业保持了紧密的关联。对于钙钛矿材料,很多企业特别是光伏企业表现出了极大的兴趣,与此同时也对钙钛矿在实际应用过程中的一些问题显露出了不愿隐藏的担忧。当我意识到大规模精确制造对于解决这些实际应用问题,促进其广泛应用具有重要价值的时候,我决定要在光刻技术和钙钛矿之间开辟一条通向应用的通道。科技交叉虽然带来了前所未有的问题,也带来了更多解决问题的方法。通过合作,我们很快补齐了我们原有团队在钙钛矿方面的空白。这项工作能够取得进展也得益于我们的合作方能够在我们原本几乎为零的领域中为我们提供不同的解决问题的方法和视角。这项工作同时也证明了技术合作的魅力,并促使我们以更加开放的心态来推动光刻技术在不同领域的应用和进步。”

该论文共同第一作者博士研究生刘亚男谈到:“我们对这项工作中所用到的激光光刻局域成型方法进行了深入的研究。尽管前期我们对该方法应用于常规半导体量子点进入了多方面的研究,然而对于钙钛矿材料,我们显然遇到了更多的问题。过程细节对于高质量精确制造的影响有时候超过了我们原有的预期,而这通常是容易忽略的。所幸的是通过合作我们抓住了这些细节,并解决了这些问题。我们证实了光刻制造钙钛矿纳米器件的能力,展示了钙钛矿器件通过光刻进行精确制造的可能。这项工作将推动光刻技术制造钙钛矿纳米器件在传感、显示、光电检测等多方面的应用。”

该项工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目(No.61821003)、国家自然科学基金面上项目资助(No.61775068)、深圳市科技创新委员会基金(No.JCYJ20180507184503128)的支持。

 

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