物質學院米啟兮課題組報道新型高性能半導體材料

ON2018-09-03CATEGORY科研進展

我校物質學院系統材料學研究部米啟兮課題組針對一種化學式為CsSnBr3(溴化錫銫)的新型半導體材料進行了深入研究。與同類材料相比,更有利的晶體結構和能帶結構使CsSnBr3在光照下產生自由載流子,對溫濕度的穩定性也有顯著提升,展現出在太陽電池和光探測器方面的良好應用前景。近日,該成果以“All-Inorganic Perovskite CsSnBr3as a Thermally Stable, Free-Carrier Semiconductor”為題,在國際知名學術期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上在線發表。

近年來,以ABX3為通式、具有鈣鈦礦類型結構的一大類半導體材料(簡稱“鈣鈦礦材料”)的光電轉換性能被廣泛研究。這一類材料中含有鉛和有機陽離子的MAPbI3(碘化鉛甲銨)已被制成高效率、低成本的新型太陽電池和光探測器,但甲銨對溫濕度的不穩定性和鉛的毒性限制了有機含鉛鈣鈦礦材料的應用范圍,而用錫替代鉛被視為最有潛力的改進方案之一。

基于此,課題組選擇了無機含錫鈣鈦礦材料作為研究對象。作者制備了高質量的CsSnBr3薄膜和晶體樣品,用多種手段測量和計算了CsSnBr3的帶隙能、激子結合能、介電常數和載流子有效質量等關鍵性能參數,尤其在帶隙能和激子結合能兩方面達到了實驗和理論相吻合,證明CsSnBr3的激子結合能低于室溫對應的熱能。此結果說明CsSnBr3受光照產生的電子與空穴是自由運動的,有利于被收集并轉化為電能。另一方面,作者利用有機鈣鈦礦材料作為參照物,表明CsSnBr3的半導體性能主要由其溴化錫框架決定,而無機銫離子顯著地提升了材料的穩定性。

該研究成果定量揭示了CsSnBr3的關鍵半導體性能參數與其框架結構的關系;發現了CsSnBr3薄膜在空氣中不易分解,具有比有機鈣鈦礦材料更高的穩定性;指出CsSnBr3的半導體性能特點適合制成疊層太陽電池和直接X射線探測器。

該論文的作者為李炳翰(2015級博士研究生、第一作者)、龍睿穎(2016級碩士研究生)、夏宇(2014級本科畢業生)和米啟兮(助理教授、通訊作者),上科大為第一完成單位。論文中的實驗測量和理論計算工作還得到了物質學院薛加民、李剛和寧志軍教授課題組,以及分析測試中心余娜博士的熱情幫助。

該項目得到了科技部國家重點研發計劃、殼牌–中科院前瞻科學項目和上海科技大學超算平臺的支持。與本論文相關的工作已申請中國發明專利(申請號:CN107059122A)。

論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201807674

CsSnBr3材料(中)的半導體性能(左)和穩定性(右)與同類材料相比具有顯著優勢

研究團隊(左起):李炳翰、米啟兮、龍睿穎、夏宇