Nanoingenjörer vid UC San Diego utvecklade en ny metod för att tillverka perovskiter som tunna enkristallfilmer, som är mer effektiva för användning i solceller och optiska enheter än materialets nuvarande toppmoderna polykristallina former.

Deras tillverkningsmetod – som använder standardprocesser för tillverkning av halvledare – resulterar i flexibla enkristallperovskitfilmer med kontrollerad yta, tjocklek, och sammansättning. Dessa enkristallfilmer visade färre defekter, större effektivitet, och förbättrad stabilitet än deras polykristallina motsvarigheter, vilket kan leda till användning av perovskiter i solceller, lysdioder, och fotodetektorer.

Forskare vid professor Sheng Xus Jacobs School of Engineerings nanotekniklabb publicerade sina resultat den 29 juli i Natur .

"Vårt mål var att övervinna utmaningarna med att förverkliga enkristallperovskitenheter", sa Yusheng Lei, en doktorand i nanoteknik och första författare till tidningen. "Vår metod är den första som exakt kan kontrollera tillväxten och tillverkningen av enkristallenheter med hög effektivitet. Metoden kräver ingen fancy utrustning eller teknik – hela processen är baserad på traditionell halvledartillverkning, ytterligare indikerar dess kompatibilitet med befintliga industriella procedurer."

Perovskites är en klass av halvledarmaterial med en specifik kristallin struktur som visar spännande elektroniska och optoelektroniska egenskaper, som gör perovskites tilltalande för användning i enheter som kanalisera, upptäcka, detektera, eller styrs av ljus - solceller, optisk fiber för kommunikation, eller LED-baserade enheter, till exempel.

"För närvarande, nästan alla metoder för tillverkning av perovskit är fokuserade på polykristallina strukturer eftersom de är lättare att producera, även om deras egenskaper och stabilitet är mindre enastående än enkristallstrukturer", sa Yimu Chen, en doktorand i nanoteknik och medförfattare till tidningen.

Det har varit svårt att kontrollera formen och sammansättningen av enkristallperovskiter under tillverkningen. Metoden som uppfanns i Xus labb kunde övervinna denna vägspärr genom att dra fördel av befintliga halvledartillverkningsprocesser inklusive litografi.

"Modern elektronik som din mobiltelefon, datorer, och satelliter är baserade på enkristallina tunna filmer av material som kisel, galliumnitrid, och galliumarsenid, " sa Xu. "Enstaka kristaller har mindre defekter, och därför bättre prestanda för elektronisk transport, än polykristaller. Dessa material måste vara i tunna filmer för integration med andra komponenter i enheten, och att integrationsprocessen bör vara skalbar, låg kostnad, och idealiskt kompatibel med befintliga industristandarder. Det hade varit en utmaning med perovskites."

Under 2018, Xus team var det första som framgångsrikt integrerade perovskiter i den industriella standardlitografiprocessen; en utmaning, eftersom litografi involverar vatten, som perovskiter är känsliga för. De kom runt detta problem genom att lägga till ett polymerskyddsskikt till perovskiterna följt av torretsning av skyddsskiktet under tillverkningen. I denna nya forskning, ingenjörerna utvecklade ett sätt att kontrollera tillväxten av perovskiterna på enkristallnivå genom att designa ett litografisk maskmönster som tillåter kontroll i både laterala och vertikala dimensioner.

I sin tillverkningsprocess, forskarna använder litografi för att etsa ett maskmönster på ett substrat av hybridperovskit-bulkkristall. Maskens design ger en synlig process för att kontrollera tillväxten av den ultratunna kristallfilmbildningen. Detta enkristallskikt skalas sedan av bulkkristallsubstratet, och överförs till ett godtyckligt substrat samtidigt som dess form och vidhäftning till substratet bibehålls. En bly-tennblandning med gradvis föränderlig sammansättning appliceras på tillväxtlösningen, skapar ett kontinuerligt graderat elektroniskt bandgap av den tunna enkristallfilmen.

Perovskiten finns i det neutrala mekaniska planet som är inklämt mellan två lager av material, låter den tunna filmen böjas. Denna flexibilitet gör att enkristallfilmen kan införlivas i högeffektiva flexibla tunnfilmssolceller, och till bärbara enheter, bidrar till målet med batterifri trådlös kontroll.

Deras metod gör det möjligt för forskare att tillverka tunna enkristallfilmer upp till 5,5 cm gånger 5,5 cm kvadrater, samtidigt som man har kontroll över tjockleken på enkristallperovskiten – allt från 600 nanometer till 100 mikron – såväl som kompositionsgradienten i tjockleksriktningen.

"Ytterligare förenkling av tillverkningsprocessen och förbättring av överföringsutbytet är brådskande frågor som vi arbetar med, " sa Xu. "Alternativt, om vi kan ersätta mönstermasken med funktionella bärartransportlager för att undvika överföringssteget, hela tillverkningsutbytet kan till stor del förbättras."

Istället för att försöka hitta kemiska medel för att stabilisera användningen av polykristallina perovskiter, denna studie visar att det är möjligt att göra stabila och effektiva enkristallenheter med hjälp av standardförfaranden och material för nanotillverkning. Xus team hoppas kunna skala denna metod ytterligare för att realisera den kommersiella potentialen hos perovskites.