超大尺寸钙钛矿单晶或将改变光伏业

近日，由我国科学院大连化学物理研究所刘生忠研究员带领的团队与陕西师范大学合作，利用升温析晶法，首次制备出超大尺寸单晶钙钛矿CH3NH3PbI3晶体，尺寸超过2英寸，这是世界上首次报道尺寸超过0.5英寸的钙钛矿单晶。相关结果已在线发表在《先进材料》期刊上。有关专家认为，这一成果有可能推动光电器件的新一轮革命。

太阳能是一种能量丰富、清洁的能源，合理、有效地利用太阳能是解决人类能源和环境问题的重要途径。目前，对太阳能的利用方式包括太阳能光热、太阳能光伏电池、太阳能制氢等方式。其中，太阳能光伏发电技术可以直接将太阳光的能量转换成电能，实现与当前供电网的无缝连接，是最便捷的太阳能利用方式。

商用太阳能电池产品已经有超过60年的历史并广泛应用于很多领域。尽管太阳能发电技术的成本已经有了大幅降低，但较其他能源供给的价格还是偏高。开发出转换效率高、发电成本低的太阳能电池器件是人类一直追寻的目标。

近年来的研究发现，具有钙钛矿晶体结构的甲氨基卤化铅材料由于具有很高的光吸收系数、很长的载流子传输距离、非常少的缺陷态密度等特质，在光伏材料、激光材料和发光材料等方面有极大的应用价值，成为国际上极为重要的研究热点材料之一。目前，经过美国国家能源部可再生能源实验室（NREL）认证的钙钛矿太阳电池光电转换效率已经达到20.1%，已接近单晶硅太阳能电池的效率。同时，基于钙钛矿材料的激光和发光器件也有报道，显示出钙钛矿材料在光电领域的广阔应用前景。

然而，现在基于微晶或非晶薄膜的钙钛矿太阳能电池及其他光电器件仍然面对着巨大的挑战，如对水蒸气敏感、对大气、热、紫外光等不够稳定等。微晶钙钛矿薄膜中存在很多晶粒、晶界、孔隙和表面缺陷会造成载流子的复合，是进一步提高太阳能转换效率及其他光电器件性能要解决的关键问题。

针对上述问题，刘生忠研究团队研究出了大尺寸钙钛矿单晶生长方法，并成功制备出超大尺寸单晶钙钛矿晶体，尺寸超过2英寸。

研究团队进一步研究发现，相较于薄膜样品，钙钛矿晶体材料具有非常高的结晶质量、更好的光吸收范围和更高的热稳定性，并首次发现该材料在402nm处的发光峰。以上研究结果表明，这种超大尺寸的单晶体在研发高性能光电器件方面具有很大的商业应用价值。

在该论文发表的同时，《先进材料》的一位主编对该项工作发表评论文章，给予高度评价。评论指出，该论文首次报道了尺寸大于0.5英寸的钙钛矿单晶，这使得直接比较多晶薄膜和单晶之间在性质上的差异成为可能。研究结果表明，相较于多晶钙钛矿薄膜，采用单晶制作的钙钛矿太阳能电池可以获得更好的光电转换效率；同时，由于晶体的完整性和较少的缺陷，单晶器件也具有更佳的稳定性。由于单晶材料是现代半导体工业、电子工业和光电工业的基础，具有优良性能的钙钛矿单晶材料有可能实现对多晶钙钛矿基器件的革新，推动光电器件的新一轮革命。