物质学院米启兮课题组制备出高性能钙钛矿半导体材料

我校物质学院助理教授米启兮课题组，在理论指导下设计出新型钙钛矿半导体材料，并制备成光电二极管器件验证其高性能和高稳定性。最近，相关成果以“Symmetrization of the Crystal Lattice of MAPbI₃ Boosts the Performance and Stability of Metal–Perovskite Photodiodes”为题在国际知名学术期刊《Advanced Materials》（《先进材料》）上发表。

近几年来，钙钛矿半导体材料在太阳能电池研究领域异军突起，其中最常见的碘化铅甲铵（MAPbI3）因具有优异的吸光性能和载流子传输性能而广受关注，但其化学稳定性差，容易与空气中的水份发生反应而分解。因此，提高钙钛矿半导体材料的化学稳定性，并进一步提高太阳能电池的效率成了热点研究问题，世界范围内的实验探索也积累了大量经验，但对影响此类材料的性能和稳定性的规律性研究还不够深入。

基于对钙钛矿半导体材料的结构–物性关系的深入理解，米启兮课题组提出用化学式体积（V/Z）这一关键指标来衡量和预测此类材料的性质，他们推测出材料最优性能所对应的V/Z值，并据此成功设计、合成了两类新型钙钛矿半导体材料，并通过实验测量验证了关于材料晶体结构的理论预测。米启兮课题组进一步将这两类新材料制成光电二极管单晶器件，并与物质学院助理教授宁志军课题组合作测量了器件的量子效率和稳定性。实验结果表明，新型钙钛矿半导体材料具有115±5微米的载流子扩散长度，约为碘化铅甲铵参照物的3倍；对湿度的稳定性也提升了一个数量级；初步尝试用新型钙钛矿半导体材料制得的太阳能电池达到了13%的效率。

该研究成果对于钙钛矿太阳能电池领域的意义在于：一、提供了一种钙钛矿半导体材料的结构设计和性能预测的方法，大大扩充了材料选择范围；二、开辟了单晶器件的制备与性能测试新方法；三、为下一步将新型钙钛矿半导体材料制成高效、稳定的单晶太阳能电池预测了所需的单晶薄膜厚度。

该论文第一作者史志方是物质学院2014级硕士研究生，共同通讯作者是米启兮和宁志军助理教授，样品测试过程还得到了物质学院助理教授薛加民课题组和分析测试中心余娜博士的热情帮助。值得一提的是，该研究中的材料设计合成、以及器件加工测试均由上科大师生利用物质学院现有条件实现，上科大为论文唯一完成单位。该研究成果体现了物质学院物理、化学、材料三个专业方向交叉融合所取得的新进展，表明学院在材料制备和测试能力方面已经初具规模，科研成果开始获得国际学界认可。

该研究中涉及的两类新型钙钛矿半导体材料已经申请国家发明专利，公布号为CN 105374941 A和CN 105742507 A。该项目得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和上科大教学科研启动经费的支持。

论文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201701656/epdf

高性能钙钛矿半导体材料的(a)晶体结构、(b)器件示意图、(c)量子效率和(d)稳定性数据。

论文作者自左到右为：张毅、李炳翰、史志方、米启兮、宁志军、周文佳、崔超。