“能源三明治”可以為下一代太陽能和照明提供動力

研究人員對鹵化物鈣鈦礦材料的原子結構控制達到了新的水平，創造了一種精細調整的“能量三明治”，可以改變太陽能電池、LED 和激光器的製造方式。

由於鈣鈦礦具有卓越的吸收和發光能力，並且比矽更便宜，並且可以將更多的太陽光譜轉化為能量，因此鈣鈦礦長期以來一直被吹捧為太陽能電池、LED 和量子技術中矽的潛在替代品。

然而，迄今為止，它們的不穩定性和耐用性在很大程度上限制了鈣鈦礦器件的實驗室研究。此外，科學家們一直在努力精確控制鈣鈦礦薄膜的厚度，並控制不同鈣鈦礦層之間如何相互作用，這是創建功能性多層結構的重要一步。

鈣鈦礦薄膜生長取得突破

現在，由劍橋大學領導的研究小組找到了一種生長超薄鈣鈦礦薄膜層的新方法，使其原子完美排列，從而可以實現更強大、更耐用和更高效的設備。

研究人員使用基於蒸汽的方法一次生長一層 3D 和 2D 鈣鈦礦，使他們能夠將薄膜的厚度控制在原子的一小部分。

他們的結果 報導 在雜誌上 科學可以為可用的基於鈣鈦礦的設備打開大門，這些設備可以使用類似於生產商業半導體的工藝大規模生產。

半導體夾層的每一層都執行不同的工作，即移動電子及其帶正電的對應物、空穴，並決定半導體如何吸收或發射光。這些層一起充當單向街道，向相反方向發送電荷，防止它們相互碰撞並以熱量形式損失能量。

在其他廣泛使用的半導體（例如矽）或新材料（例如氮化鎵）中，可以使用各種技術對各個層的特性進行微調。但鈣鈦礦儘管具有優異的特性，但在層狀器件中仍然難以控制，部分原因在於其“混亂”的原子結構。

蒸汽處理確保原子精度

“許多鈣鈦礦研究都使用溶液處理，這很混亂且難以控制，”該研究的共同領導者、化學工程與生物技術系的 Sam Stranks 教授說。

“通過改用蒸汽處理（與標準半導體使用的方法相同），我們可以實現相同程度的原子控制，但使用的材料要溫和得多。”

研究人員結合使用 3D 和 2D 鈣鈦礦來創建和控制原子調諧堆棧，這種現象稱為外延生長。這種精確的控制使團隊能夠直接觀察材料發出的光如何根據材料是單層、雙層或更厚而變化。

“我們希望通過逐層改變化學成分來生長完美的鈣鈦礦晶體，這就是我們所做的，”研究合著者、劍橋大學化學工程與生物技術系和卡文迪什實驗室的楊路博士說。

“這就像從頭開始構建半導體，一次一個原子層，但使用的材料加工起來更容易、更便宜。”

控制充電行為和器件電位

研究人員還發現，他們可以設計層之間的連接來控制電子和空穴是保持在一起還是分開——這是材料發光效率的關鍵因素。

該研究的共同領導者、卡文迪什實驗室的理查德·弗蘭德教授說：“我們已經達到了一定程度的可定制性，而這在我們開始時甚至沒有被注意到。”

“我們現在可以通過稍微改變生長條件來決定我們想要什麼類型的連接——將電荷聚集在一起還是將它們分開。”

研究人員發現，他們可以將各層之間的能量差調整超過半個電子伏特，並且在某些情況下將電子和空穴的壽命延長至 10 微秒以上：比平常長得多。

該團隊認為，這種精度水平可以為可擴展的高性能設備鋪平道路，這些設備以新的方式使用光，從激光器和探測器到下一代量子技術。

“隨意改變鈣鈦礦的成分和特性，並探索這些變化，是一項真正的成就，反映了我們在劍橋投入的時間和投資，”斯特蘭克斯說。

“但更重要的是，它展示了我們如何用鈣鈦礦製造工作半導體，這有一天可能會徹底改變低成本電子產品和太陽能電池的生產。”