Nano Lett.：具有任意形狀微模塊的無空洞鈣鈦礦光電器件

【引言】
有機無機雜化鈣鈦礦材料以其低成本、易制備、長載流子擴散長度和高載流子遷移率等優點，表現出在太陽能電池、LED、光電探測器和激光等光電運用的巨大前景，因而受到全世界的巨大關注。在許多光電應用，圖形化不僅是功能上也是審美上目的。因此非常有必要發展一種制備有機無機雜化鈣鈦礦材料模塊化的方法。傳統的光刻技術是通過干濕刻蝕過程，這是目前半導體行業中微模塊制作的最有效方法。然而，由于鈣鈦礦在不同溶劑中的溶解度差異以及有機基團的敏感性，使得已有的光刻技術無法直接運用于有機無機鈣鈦礦材料。

【成果簡介】
近日，北京大學的龔旗煌教授和朱瑞研究員（共同通訊作者）等人在Nano Lett.期刊上提出了潤濕性輔助光刻工藝（WPA），這項工藝確保了具有任意形狀微模塊的無空洞鈣鈦礦薄膜的制備。潤濕性輔助光刻工藝采用光刻技術和一步溶液法沉積雜化鈣鈦礦，通過這種方法可以構建不同形狀模塊的平整無空洞雜化鈣鈦礦薄膜，可調整活性層的半透明電池的平均可見光透過率在20%至100%之間，基于這種模塊化CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦薄膜的常規太陽能電池表明，WAP過程可以與光電器件工業化制造過程相媲美。

【圖文導讀】
圖1、WAP工藝制備模塊化CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦薄膜的過程示意圖。

（a） 通過光刻制作聚三苯胺光刻掩模版
（b） 通過氯苯旋涂復制光刻掩模版的設計
（c） 通過DMF旋涂去除光刻掩模版
（d） 在光刻好的聚三苯胺掩模版表面，通過一步溶液旋涂法沉積CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦薄膜
（e） 通過氯苯旋涂去除聚三苯胺

圖2、模塊化的CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦薄膜的照片和SEM圖片。

（a-c）CH₃NH₃PbI₃陣列單元的SEM圖像。
（d）（e）分別為CH₃NH₃PbI₃和六單元CH₃NH₃PbI₃ PKU模塊的SEM圖像。
（f）陰刻CH₃NH₃PbI₃薄膜PKU模塊的SEM圖像。
（g）（h）分別為10um寬的CH₃NH₃PbI₃折線，10um寬、10um間隔微電極CH₃NH₃PbI₃薄膜。
（i）（j）塔狀模塊的CH₃NH₃PbI₃薄膜照片和SEM圖。

圖3、基于模塊化鈣鈦礦常規太陽能電池的器件結構及性能表征。

（a） 基于模塊化鈣鈦礦器件的結構示意圖。
（b） AM 1.5G 下，基于不同活性層器件電流-電壓特性。
（c） 模塊化鈣鈦礦薄膜的照片。
（d） 在制備工程中，基于模塊化鈣鈦礦器件高度剖面表征。

圖4、基于模塊化鈣鈦礦半透明器件結構及性能表征。

（a） 基于模塊化鈣鈦礦半透明器件結構示意圖。
（b） 器件結構橫截面圖。
（c） 鈣鈦礦單元邊界的橫截面SEM圖。
（d） 連續的和模塊化（鈣鈦礦覆蓋率為44%）的鈣鈦礦薄膜光透過光譜。插圖：上圖為鈣鈦礦覆蓋率為44%的模塊化鈣鈦礦薄膜照片，下圖為連續的鈣鈦礦薄膜照片
（e） AM 1.5G 下，基于不同活性層半透明器件的電流-電壓特性。

【總結】
本文中發展一種潤濕性輔助光刻工藝（WPA），并基于此種方法制備了模塊化的鈣鈦礦薄膜和光電期間。WPA技術解決了半導體行業已有的光刻技術無法直接用于鈣鈦礦材料的問題。可以通過潤濕性輔助光刻工藝（WPA）制備各種形狀模塊的平整無空洞的鈣鈦礦薄膜，WPA技術在工業化生產模塊化的雜化鈣鈦礦具有非常好的前景。

文獻鏈接：Pinhole-Free Hybrid Perovskite Film with Arbitrarily-Shaped Micro-Patterns for Functional Optoelectronic Devices? (Nano Lett., 2017, DOI:10.1021/acs.nanolett.7b00722）

本文由材料人電子電工學術組lyh_wv供稿，材料牛整理編輯。

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