我校物質(zhì)學(xué)院助理教授米啟兮課題組，在理論指導(dǎo)下設(shè)計(jì)出新型鈣鈦礦半導(dǎo)體材料，并制備成光電二極管器件驗(yàn)證其高性能和高穩(wěn)定性。最近，相關(guān)成果以“Symmetrization of the Crystal Lattice of MAPbI? Boosts the Performance and Stability of Metal–Perovskite Photodiodes”為題在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》（《先進(jìn)材料》）上發(fā)表。

近幾年來(lái)，鈣鈦礦半導(dǎo)體材料在太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域異軍突起，其中最常見(jiàn)的碘化鉛甲銨（MAPbI3）因具有優(yōu)異的吸光性能和載流子傳輸性能而廣受關(guān)注，但其化學(xué)穩(wěn)定性差，容易與空氣中的水份發(fā)生反應(yīng)而分解。因此，提高鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的化學(xué)穩(wěn)定性，并進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的效率成了熱點(diǎn)研究問(wèn)題，世界范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)探索也積累了大量經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)影響此類(lèi)材料的性能和穩(wěn)定性的規(guī)律性研究還不夠深入。

基于對(duì)鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)–物性關(guān)系的深入理解，米啟兮課題組提出用化學(xué)式體積（V/Z）這一關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)衡量和預(yù)測(cè)此類(lèi)材料的性質(zhì)，他們推測(cè)出材料最優(yōu)性能所對(duì)應(yīng)的V/Z值，并據(jù)此成功設(shè)計(jì)、合成了兩類(lèi)新型鈣鈦礦半導(dǎo)體材料，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證了關(guān)于材料晶體結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測(cè)。米啟兮課題組進(jìn)一步將這兩類(lèi)新材料制成光電二極管單晶器件，并與物質(zhì)學(xué)院助理教授寧志軍課題組合作測(cè)量了器件的量子效率和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型鈣鈦礦半導(dǎo)體材料具有115±5微米的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，約為碘化鉛甲銨參照物的3倍；對(duì)濕度的穩(wěn)定性也提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)；初步嘗試用新型鈣鈦礦半導(dǎo)體材料制得的太陽(yáng)能電池達(dá)到了13%的效率。

該研究成果對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的意義在于：一、提供了一種鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)的方法，大大擴(kuò)充了材料選擇范圍；二、開(kāi)辟了單晶器件的制備與性能測(cè)試新方法；三、為下一步將新型鈣鈦礦半導(dǎo)體材料制成高效、穩(wěn)定的單晶太陽(yáng)能電池預(yù)測(cè)了所需的單晶薄膜厚度。

該論文第一作者史志方是物質(zhì)學(xué)院2014級(jí)碩士研究生，共同通訊作者是米啟兮和寧志軍助理教授，樣品測(cè)試過(guò)程還得到了物質(zhì)學(xué)院助理教授薛加民課題組和分析測(cè)試中心余娜博士的熱情幫助。值得一提的是，該研究中的材料設(shè)計(jì)合成、以及器件加工測(cè)試均由上科大師生利用物質(zhì)學(xué)院現(xiàn)有條件實(shí)現(xiàn)，上科大為論文唯一完成單位。該研究成果體現(xiàn)了物質(zhì)學(xué)院物理、化學(xué)、材料三個(gè)專(zhuān)業(yè)方向交叉融合所取得的新進(jìn)展，表明學(xué)院在材料制備和測(cè)試能力方面已經(jīng)初具規(guī)模，科研成果開(kāi)始獲得國(guó)際學(xué)界認(rèn)可。

該研究中涉及的兩類(lèi)新型鈣鈦礦半導(dǎo)體材料已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，公布號(hào)為CN 105374941 A和CN 105742507 A。該項(xiàng)目得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和上科大教學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。

論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201701656/epdf

高性能鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的(a)晶體結(jié)構(gòu)、(b)器件示意圖、(c)量子效率和(d)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。

論文作者自左到右為：張毅、李炳翰、史志方、米啟兮、寧志軍、周文佳、崔超。