Nieuwe fabricagemethode brengt enkelkristal perovskiet-apparaten dichter bij levensvatbaarheid

Nanoengineers van UC San Diego ontwikkelden een nieuwe methode om perovskieten te vervaardigen als enkelkristal dunne films, die efficiënter zijn voor gebruik in zonnecellen en optische apparaten dan de huidige state-of-the-art polykristallijne vormen van het materiaal.

Hun fabricagemethode – die standaard fabricageprocessen van halfgeleiders gebruikt – resulteert in flexibele eenkristalperovskietfilms met een gecontroleerd oppervlak, dikte en samenstelling. Deze eenkristalfilms vertoonden minder defecten, grotere efficiëntie en verbeterde stabiliteit dan hun polykristallijne tegenhangers, wat zou kunnen leiden tot het gebruik van perovskieten in zonnecellen, LED’s en fotodetectoren.

Onderzoekers van het Nanoengineering Lab van professor Sheng Xu’s Jacobs School of Engineering publiceerden hun bevindingen op 29 juli in Natuur.

“Ons doel was om de uitdagingen bij het realiseren van enkelkristal perovskiet-apparaten te overwinnen”, zegt Yusheng Lei, een afgestudeerde nanoengineering en eerste auteur van de paper. “Onze methode is de eerste die de groei en fabricage van enkelkristal-apparaten met hoge efficiëntie nauwkeurig kan regelen. De methode vereist geen luxe apparatuur of technieken – het hele proces is gebaseerd op traditionele halfgeleiderfabricage, wat de compatibiliteit met bestaande industriële procedures. “

Perovskieten zijn een klasse van halfgeleidermaterialen met een specifieke kristallijne structuur die intrigerende elektronische en opto-elektronische eigenschappen vertonen, die perovskieten aantrekkelijk maken voor gebruik in apparaten die licht geleiden, detecteren of worden bestuurd door licht – zonnecellen, optische vezel voor communicatie of LED- gebaseerde apparaten, bijvoorbeeld.

“Momenteel zijn bijna alle benaderingen voor de fabricage van perovskiet gericht op polykristallijne structuren omdat ze gemakkelijker te produceren zijn, hoewel hun eigenschappen en stabiliteit minder opmerkelijk zijn dan die van eenkristallen”, zegt Yimu Chen, een afgestudeerde nanoengineering en co-eerste auteur van de krant.

Het regelen van de vorm en samenstelling van enkelkristalperovskieten tijdens fabricage was moeilijk. De in het laboratorium van Xu uitgevonden methode was in staat deze wegversperring te overwinnen door te profiteren van bestaande fabricageprocessen van halfgeleiders, waaronder lithografie.

“Moderne elektronica zoals je mobiele telefoon, computers en satellieten zijn gebaseerd op enkelkristal dunne films van materialen zoals silicium, galliumnitride en galliumarsenide”, aldus Xu. “Eenkristallen hebben minder defecten en dus betere elektronische transportprestaties dan polykristallen. Deze materialen moeten in dunne films zitten voor integratie met andere componenten van het apparaat, en dat integratieproces moet schaalbaar, goedkoop en ideaal compatibel zijn met de bestaande industriële normen. Dat was een uitdaging met perovskieten. “

In 2018 was het team van Xu de eerste die perovskieten met succes integreerde in het industriële standaard lithografieproces; een uitdaging, aangezien bij lithografie water betrokken is, waar perovskieten gevoelig voor zijn. Ze hebben dit probleem omzeild door een polymeerbeschermingslaag aan de perovskieten toe te voegen, gevolgd door droog etsen van de beschermingslaag tijdens de fabricage. In dit nieuwe onderzoek ontwikkelden de ingenieurs een manier om de groei van de perovskieten op het niveau van één kristal te beheersen door een lithografisch maskerpatroon te ontwerpen dat controle in zowel laterale als verticale dimensies mogelijk maakt.

In hun fabricageproces etsen de onderzoekers lithografie om een ​​maskerpatroon te etsen op een substraat van hybride perovskiet-bulkkristal. Het ontwerp van het masker zorgt voor een zichtbaar proces om de groei van de ultradunne kristalfilmvorming te beheersen. Deze enkelkristallaag wordt vervolgens van het bulk kristalsubstraat afgepeld en overgebracht naar een willekeurig substraat terwijl de vorm en hechting aan het substraat behouden blijft. Een lood-tinmengsel met geleidelijk veranderende samenstelling wordt op de groeioplossing aangebracht, waardoor een continu gesorteerde elektronische bandgap van de eenkristal dunne film ontstaat.

Het perovskiet bevindt zich op het neutrale mechanische vlak, ingeklemd tussen twee lagen materiaal, waardoor de dunne film kan buigen. Door deze flexibiliteit kan de eenkristalfilm worden opgenomen in zeer efficiënte flexibele dunne-film zonnecellen en in draagbare apparaten, wat bijdraagt ​​aan het doel van batterijloze draadloze bediening.

Hun methode stelt onderzoekers in staat enkelkristal dunne films tot vierkanten van 5,5 cm bij 5,5 cm te vervaardigen, terwijl ze controle hebben over de dikte van het éénkristal perovskiet – variërend van 600 nanometer tot 100 micron – evenals de compositie gradiënt in de dikte richting.

“Het vereenvoudigen van het fabricageproces en het verbeteren van het transferrendement zijn dringende zaken waar we aan werken”, zegt Xu. “Als alternatief, als we het patroonmasker kunnen vervangen door functionele drager transportlagen om de overdrachtsstap te vermijden, kan de gehele fabricageopbrengst grotendeels worden verbeterd.”

In plaats van te werken aan het vinden van chemische middelen om het gebruik van polykristallijne perovskieten te stabiliseren, laat deze studie zien dat het mogelijk is om stabiele en efficiënte monokristallijne apparaten te maken met behulp van standaard nanofabricageprocedures en materialen. Het team van Xu hoopt deze methode verder te schalen om het commerciële potentieel van perovskieten te realiseren.