近期，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院曹丙強(qiáng)教授及其團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦半導(dǎo)體能帶工程和雜質(zhì)工程研究中取得系列進(jìn)展，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在A(yíng)CS Appl. Electron. Mater和Appl. Phys. Lett.，其中一篇APL論文被選為Editor's Pick特色論文，并引起國(guó)內(nèi)外研究組廣泛關(guān)注。
利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)發(fā)電是太陽(yáng)能利用的最重要方式之一，自2009 年問(wèn)世以來(lái)，基于有機(jī)無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率已由最初的3.8%飆升至25.9 %，接近產(chǎn)業(yè)化晶硅電池最高效率（26.3%），是最有產(chǎn)業(yè)化希望的新一代太陽(yáng)能電池。目前基于非故意摻雜甲胺鉛碘（MAPbI3）多晶薄膜構(gòu)成的P-i-N電池，因存在大量低結(jié)晶度晶界，導(dǎo)致該類(lèi)電池在室溫工作條件下即發(fā)生快速離子遷移而導(dǎo)致電池失效，加之鉛元素具有一定毒性，嚴(yán)重阻礙其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生劉婷同學(xué)利用逆溫結(jié)晶法生長(zhǎng)了Cu摻雜的MAPb1-xCuxI3單晶，利用金屬元素Cu2+實(shí)現(xiàn)了Pb2+位替代，不僅部分降低了鉛系鈣鈦礦材料的毒性，通過(guò)調(diào)控Pb/Cu比例形成Pb-Cu合金，還可調(diào)整MAPb1-xCuxI3半導(dǎo)體合金的帶隙。更有意思的是，進(jìn)入鈣鈦礦晶格中的Cu2+離子一部分被還原為Cu+，Cu+作為受主摻雜劑產(chǎn)生空穴載流子，隨著Cu+濃度的增加，使得其電導(dǎo)率類(lèi)型由弱n型轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@p型，電導(dǎo)率明顯降低，呈現(xiàn)出半導(dǎo)體摻雜過(guò)程中經(jīng)典的雜質(zhì)補(bǔ)償現(xiàn)象（Dopant compensation）。極性可控的高阻態(tài)鈣鈦礦晶體對(duì)于X/γ射線(xiàn)光電探測(cè)器及空間電池應(yīng)用尤為重要。該結(jié)果發(fā)表在A(yíng)ppl. Phys. Lett.上（2022, 10.1063/5.0095370），并被選為Editor's Pick特色論文。
為提高大面積鈣鈦礦薄膜材料和器件的穩(wěn)定性，博士生袁蓓蕾同學(xué)利用曹丙強(qiáng)教授自主設(shè)計(jì)搭建的脈沖激光沉積系統(tǒng)(PLD)，通過(guò)薄膜贗晶逐層生長(zhǎng)方式，實(shí)現(xiàn)了CsPbBr3鈣鈦礦薄膜在SrTiO3襯底上的外延生長(zhǎng)（epitaxy），來(lái)自襯底的界面壓應(yīng)力促使薄膜保持穩(wěn)定的鈣鈦礦相，且外延單晶薄膜具有較高的準(zhǔn)本征單晶特性。碩士生周煜同學(xué)通過(guò)控制CsPb(IxClyBr1-x-y)3系列合金薄膜中鹵素原子的組成和比例，發(fā)現(xiàn)隨鹵素成分變化，可以將鈣鈦礦相合金薄膜的光學(xué)帶隙從1.75 eV (CsPbI3)連續(xù)調(diào)整到2.98 eV (CsPbCl3)，足以覆蓋整個(gè)可見(jiàn)區(qū)域。同時(shí)，鈣鈦礦合系列金薄膜呈現(xiàn)Ⅰ型（Type-I）帶階結(jié)構(gòu)變化，這將有利于實(shí)現(xiàn)能隙梯度太陽(yáng)能電池，構(gòu)建二維電子氣、量子阱等鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)構(gòu)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在A(yíng)CS Appl. Electron. Mater(2021, 10.1021/acsaelm.1c01033)和Appl. Phys. Lett.（2022, 10.1063/5.0081955），并引起國(guó)內(nèi)外研究組廣泛關(guān)注。
《Applied Physics Letters》是美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)(AIP)旗下的旗艦期刊，在物理學(xué)和材料科學(xué)研究領(lǐng)域享有良好的學(xué)術(shù)聲譽(yù)和重要的影響力，是Nature出版社評(píng)選的82種自然指數(shù)(Nature Index)期刊之一。上述三位研究生分別為論文第一作者，濟(jì)南大學(xué)為論文第一完成單位，曹丙強(qiáng)教授為論文唯一通訊作者。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（51872161）和濟(jì)南市“高校20條”項(xiàng)目（2020GXRC020）的經(jīng)費(fèi)支持。
撰稿：侯鵬坤 編輯：趙華磊 編審：賈海寧
