近日，洁净能源国家实验室太阳能研究部薄膜硅太阳能电池研究组（DNL1606）刘生忠研究员带领其团队利用升温析晶法，首次制备出了超大尺寸单晶钙钛矿CH3NH3PbI3晶体，尺寸超过2英寸（大于7 mm），这是世界上首次报导: 尺寸超过0.5英寸的钙钛矿单晶。相关结果在线发表在《先进材料》期刊 (Adv. Mater. 2015, 27, 5176-5183. doi:10.1002/adma.201502597)。AdvancedMaterials 主编给予该文章高度性评价并写了亮点性评论，该评论已经在线发表在MaterialViews网站上（http://www.materialsviews.com/supersize-single-crystalline-perovskite-crystals-adma-201502597/）
拥有完美晶体结构的单晶半导体材料因具有好的光电性能，在集成电路、光伏、发光、其他光电器件领域有广泛应用。正是大尺寸单晶生长技术的发明才导致了电子信息技术、太阳能电池、固态激光、发光二极管(LED)等的诞生，也将人类带入了信息技术时代。具有钙钛矿晶体结构的有机氨-卤化铅材料，由于具有高的光吸收系数、很长的载流子传输距离、较弱的激子结合能以及极少的表面缺陷等优异性质，被誉为最佳的光伏材料、激光和发光材料。目前，经过NREL认证的钙钛矿太阳电池光电转换效率已经达到20.2%，已接近单晶硅太阳能电池的效率，且高于其他薄膜类型的电池器件。与此同时，基于钙钛矿材料的激光和发光器件已研发成功，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临的巨大的瓶颈。多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需要解决的关键问题。
基于此，本研究组发展了大尺寸钙钛矿单晶生长方法，并成功制备出尺寸超过100毫米的单晶晶体。通过在室温下进行的高分辨XRD，光学测试，发现CH3NH3PbX（X=Cl, Br, I）钙钛矿晶体材料具有非常高的结晶质量和较宽的光吸收范围（相较于薄膜样品），并首次发现CH3NH3PbCl3材料在402nm处的发光峰。进一步的TGA和DSC表征结果显示出CH3NH3PbI3晶体比薄膜材料具有更高的热稳定性。以上研究结果表明，这种超大尺寸的单晶体CH3NH3PbX3(X= Cl,Br,I)在研发高性能光电器件方面具有很大的潜力。
该研究工作得到了中央高校基金(GK261001009)，长江学者和创新团队（IRT_14R33）、“111计划”（B14041）。（文/图张豆豆）
