苏州大学邹贵付、尹万健教授合作制备大面积超薄钙钛矿单晶薄膜
光伏产业网讯
发布日期：2020-12-02
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苏州大学邹贵付、尹万健教授合作制备大面积超薄钙钛矿单晶薄膜
近日，苏州大学邹贵付教授和尹万健教授从成核生长动力学角度，采用溶液过程动力学诱导晶面各向异性生长策略，制备了大面积超薄钙钛矿单晶薄膜。作者指出，各向异性生长钙钛矿薄膜需要考虑成核、生长以及诱导各向异性生长三个阶段，并设计了相应的实验合成方案，实现了该薄膜的各向异性生长。
首先，作者提出控制成核密度和调节各晶面之间相对生长速率差异，从而实现各向异性生长的思路，并从成核生长动力学模型角度阐明反应温度、前驱体浓度以及表面能是控制成核、生长、各向异性生长阶段的关键因素。根据这些条件，作者使用反溶剂扩散策略作为反应驱动力，使反应在低温过程进行，同时，前驱体浓度维持较低水平，从而控制成核密度。
并且，通过在前驱体中引入表面活性剂钝化表面，使表面能降低，反应活化能增大的策略，调控不同晶面之间的相对生长速率，从而诱导各向异性生长。采用这种策略，作者合成了厚度小于100纳米，尺寸接近厘米级的CsPbBr3钙钛矿单晶薄膜，并且薄膜显示出优异的光学、电学性能、以及良好的柔性特质。
随后，作者详细研究了薄膜生长过程，通过对薄膜生长阶段原位观察发现，尽管沿各晶面法向的生长速率一致，然而不同晶面的暴露面积随着生长时间的变化却出现了显著差异。作者首先分析了各表面的晶面指数，并采用DFT计算了这些表面的表面能，结果发现这些晶面暴露大小的规律严格符合表面能大小关系和Wulf定律。这一结果表明钙钛矿单晶薄膜各向异性的生长机制与提出的模型一致。
最后，作者通过调节反应温度、前驱体浓度及表面活性剂浓度，实现了薄膜厚度的调控。最终得到了厚度100nm以下，尺寸接近厘米级的钙钛矿CsPbBr3单晶薄膜。同时，研究发现这一策略还适用于MAPbBr3、FAPbBr3等卤化物钙钛矿单晶薄膜的制备，这为生长超薄大尺寸钙钛矿单晶薄膜提供了一种新思路。