近日，我國科研團隊首次成功研發純相的二維鈣鈦礦薄膜及其高穩定性太陽能電池，相關研究成果發表于《自然—能源》。
中國科學院院士、西北工業大學柔性電子前沿科學中心首席科學家黃維，南京工業大學先進材料研究院教授陳永華和澳門大學應用物理與材料工程研究院教授邢貴川，首次報道了通過前驅體離子間配位作用、分子間相互作用調控獲得近單分散的鈣鈦礦前驅體膠束粒子中間相，通過溶劑揮發獲得不同量子阱寬度的純相二維鈣鈦礦薄膜。
黃維告訴《中國科學報》，這一工作基于離子液體調控分子間相互作用力，首次實現了有序取向的、結晶性能良好的二維純相鈣鈦礦薄膜，揭示了純相鈣鈦礦薄膜的形成機制、光學特征、物相分布以及器件性能。
近年來，二維層狀鈣鈦礦材料由于優越的穩定性和光電性能而成為鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點。同時，基于液相法制備的二維層狀鈣鈦礦薄膜均由多相混合量子阱結構組成，即目標量子阱結構與實際獲得的多相混合量子阱結構有很大不同，薄膜中夾雜的其他多種鈣鈦礦相成分對鈣鈦礦器件的進一步應用有著很大的限制。
因此，科學家們長期致力于制備純相二維鈣鈦礦薄膜并研究其對于光電性能的影響。事實上，盡管鈣鈦礦前驅體溶液是嚴格按照化學計量比配置的，但仍難以在沉積的過程中直接形成目標設計的純相量子阱薄膜。
合作團隊通過創新性地使用一種離子液體有機胺鹽替代傳統的鹵素有機鹽，實現前驅體溶液離子配位和分子間相互作用有效調控，獲得擇優生長的微米級二維層狀鈣鈦礦薄膜，而且可實現有效的層間電荷傳輸，具有優異的太陽能電池的光電轉換效率。
“鈣鈦礦的多相量子阱結構已經被大多數科研工作者成功制備，然而通過采用新型離子液體有機胺鹽和巧妙的實驗設計，獲得純相量子阱結構，并對其光學特征和器件性能展開了深入分析在世界上尚屬首次。”陳永華介紹說，通過掠入射小角X射線衍射技術分析表明，基于該技術制備的純相鈣鈦礦薄膜具有微米級的超大晶粒尺寸、良好的晶體取向和結構特征，有利于器件性能的提升。
鈣鈦礦薄膜的單一量子阱結構進一步被飛秒激光光譜所印證，“純相二維鈣鈦礦展示出單一的漂白峰和熒光光譜是強有力的純相量子阱證據。”邢貴川解釋道，從分立且單一的光學特征上發現了純相量子阱特征，純相薄膜具有連續可調的相分布。這種結構既保證了薄膜的穩定性，又保證了載流子的高效傳輸，這是制造高性能器件的必備條件。
同時，研究人員構建的平面型太陽能電池器件也表明，純相量子阱結構使得二維層狀鈣鈦礦太陽能電池的穩定性顯著提高。該研究展示的純相量子阱將促進太陽能電池和其他鈣鈦礦基光電器件（如探測器、發光二極管、激光器）的發展，為其性能進一步提升提供了新思路。