用石墨烯做電極不是新聞
新技術才是~
近日，中科院上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室研究員狄增峰團隊，開發出一種石墨烯輔助金屬電極轉印技術。該技術以鍺基石墨烯晶圓作為預沉積襯底生長金屬電極陣列，並利用石墨烯與金屬間較弱的范德華作用力（一種分子間作用力），實現了任意金屬電極陣列的無損轉移，且轉移成功率達到100%。該技術對二維材料工藝路徑進行了探索，或將推開通向二維晶片應用新世界的大門。
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操控不同的原子一個個堆疊起來，得到想要的材料，一直是材料學家的夢想之一。2004年，單原子厚度石墨烯的發現為二維材料（厚度從單原子層到幾個原子層，電子僅可在兩個維度自由運動的材料）應用帶來了希望。二維材料電子遷移和熱量擴散被限制在平面之內，因而展現出三維材料未有的特性。不同的二維材料晶體結構各異，因此出現不同的電學或光學特性，使其在光電器件、熱電器件、仿生器件、光電探測等領域展現巨大的發展潛力。有材料學家預言，在未來人們可以藉助二維材料，在提升集成電路性能和功能的同時大大降低製造成本。
「二維材料有很多獨特的性能，但它在實際應用中也面臨一些加工難題。」「隨著集成電路逐步進入『非矽時代』，開發適用於二維材料的半導體先進位程工藝需求非常迫切。」
關於電極「生長」的難題
電極是集成電路的基礎，任何電子器件、電路都要通過電極連接實現複雜的功能。在集成電路製造工藝中，常規的電極「生長」技術是將金屬原子束「打」到基底材料上。儘管金屬原子束的能量有限，但對於超薄的二維溝道材料來說，濺射離子轟擊會對材料造成損傷，導致二維溝道材料產生缺陷，或造成難以避免的摻雜，從而形成「非理想」金屬/二維半導體界面，使半導體器件性能無法達到預期。
為解決這一問題，狄增峰團隊和中科院上海技術物理所研究員胡偉達團隊合作，另闢蹊徑地讓金屬電極先在其他地方「生長」，「長」成後再把電極「像膠帶一樣『貼』（轉印）到二維溝道材料上」。「一方面，轉印技術不存在這種衝擊的能量，不會對二維溝道材料造成損傷。」狄增峰說，「另一方面，此前人們在轉印前，讓金屬『長』在二氧化矽片上，二氧化矽片雖然看起來是個平面，實際上它的表面有很多『懸掛鍵』，像手指一樣伸在外面。因此，『長』上去的金屬電極就被這些『小手指』拉住，轉印前很難把它『撕』下來。」
緊接著，該團隊再次拓展思路，以鍺基石墨烯晶圓作為預沉積襯底，「生長」金屬電極陣列。由於石墨烯沒有懸掛鍵的勾連，石墨烯與金屬之間只有較弱的范德華作用力，「長」在石墨烯上的金屬電極陣列就很容易被「揭」（轉移）下來。
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利用新的轉印技術，該團隊實現了任意金屬電極陣列（如銅、銀、金、鉑、鈦和鎳）的無損轉移，且轉移成功率達到100%。「以前人們也能做到小面積或數個器件的轉印。」狄增峰解釋說，「現在可以轉印『金屬電極陣列』，包括一些電路、比較複雜的結構都可以轉印，甚至達到『晶圓級別』。」在進一步工作中，研究人員通過選擇功函數匹配的金屬電極，成功製備出低接觸電阻的二硫化鉬電晶體器件陣列。該電晶體器件陣列具有良好的性能一致性，其開關比超過106。
「業界普遍認為，開關比達到106是一個門檻。」該論文共同第一作者、中科院上海微系統與信息技術研究所研究員田子傲說，「通常開關比達到106，代表著該器件有較好的柵控能力。說明用這種技術轉印出來的產品，可以高效穩定地工作。」目前，該技術可實現4英寸晶圓轉印，這代表著該技術已經達到了「晶圓級別」。「這項研究有兩個亮點，一是實現任意金屬無損轉印，二是能達到『晶圓級別』大規模製造。」狄增峰解釋說，「晶圓加工時，內部數億、數十億器件不可能逐個去加工，只有達到『晶圓級別』加工，才能讓二維材料集成電路逐步成為現實。」
光電轉換效率高達21.7%
鈣鈦礦太陽能電池刷新世界紀錄
太陽能電池可將太陽能直接轉變為電能，一直是一種獲取清潔能源的重要途徑。而光伏發電成本依賴於太陽能電池的光電轉換效率。有研究顯示，轉換效率每提升1%，發電成本可降低7%，但目前晶矽太陽能電池光電轉換效率遭遇發展瓶頸，因此，研發製備更低成本、更高效率的太陽能電池是實現光伏發電平價上網的關鍵，也將為實現「雙碳」目標提供重要科技支撐。
近日，南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁教授課題組和英國牛津大學學者，運用塗布印刷、真空沉積等技術，在國際上首次實現了大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件的製備，開闢了大面積鈣鈦礦疊層電池的量產化、商業化的全新路徑。經國際權威第三方測試機構認證，該組件穩定的光電轉換效率高達21.7%，是目前已知的鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率。
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目標：
生產成本更低、更節能
發展清潔、低成本的太陽能光伏發電，是實現碳達峰碳中和的重要途徑與技術保障。2022年一季度，我國光伏發電量841億千瓦時，同比增長22.2%。「但是，隨著技術的發展，傳統的晶矽單結太陽能電池也遭遇了兩個發展瓶頸，一是現有的工業生產能力已經逼近晶矽單結太陽能電池光電轉化效率的極限；二是成本高、能耗大，將石英砂提煉為工業矽，製成單晶矽的過程，需要超過1000℃的高溫，而鈣鈦礦太陽能電池的製備大約需要100℃。」作為此次研究的通訊作者，譚海仁坦言，生產成本更低、更節能的鈣鈦礦太陽能電池，被視為近年來光伏產業發展的新機遇，而鈣鈦礦疊層電池的結構優化和技術創新將加速光伏產業實現降本增效。
此前，譚海仁課題組提出了新型隧穿結構，突破了全鈣鈦礦疊層製備難題，發展了增強鈣鈦礦晶粒表面缺陷鈍化的新方法，創造了全鈣鈦礦疊層電池光電轉化效率26.4%的世界紀錄，並在國際上首次超越了單結鈣鈦礦電池的最高認證效率。
多項技術讓材料均勻成膜
要實現量產化製備，首先需要解決寬帶隙鈣鈦礦薄膜大面積均勻製備的難題。「寬帶隙鈣鈦礦中含有較高的溴化物組分，其溶解度較低，溶劑選擇空間較小，結晶調控不易，難以獲得高質量均勻緻密的薄膜，國際上對其量產化製備技術研究幾乎是空白。」譚海仁指出。針對上述挑戰，研究團隊首次提出可量產化的全鈣鈦礦疊層電池製備方案，他們採用塗布印刷、真空沉積等製備技術替換實驗室常用的旋塗成膜工藝，製備了20平方厘米的全鈣鈦礦疊層電池。
「此前我們使用的是旋塗工藝，即先把鈣鈦礦溶液塗抹在玻璃基底上，再用機器快速帶動整塊玻璃基底旋轉，利用離心力讓溶液分布在基底上形成薄膜，但這種方法會導致薄膜不均勻。此外，旋塗工藝的機器轉速很快，所以很難帶動大面積的玻璃基底旋轉，這決定了它不適合量產鈣鈦礦太陽能電池。」譚海仁說。
為了讓鈣鈦礦溶液能大面積均勻成膜，研究團隊首先使用了刮刀塗布工藝。譚海仁解釋，他們將溶液滴在透明的導電玻璃上，然後用刀片向前刮過去，這就在玻璃表面形成了一層均勻的濕薄膜，用這種方法，他們完成了空穴傳輸層、鈣鈦礦層的刷塗，再用真空沉積的方法製備電子傳輸層和隧穿結構來保護第一層鈣鈦礦，然後再塗空穴傳輸層和第二層鈣鈦礦，真空蒸鍍電子傳輸層和金屬電極後，一個鈣鈦礦太陽能電池塊框架就像搭積木一樣「出爐」了。
鈣鈦礦太陽能鍍膜
離不開的安全環境
正如上文所說在能量轉化率不斷提高的前提下，更需要好的太陽能鍍膜才能滿足使用需求；但是目前所有的技術方法，都不能很好的解決鍍膜膜層均勻性的問題。噴塗法鍍膜過程中，噴中心鍍膜液富集多，造成花斑；表面刻蝕法因壓花玻璃表面成分難以均一，導致刻蝕反應的速度不一致造成膜厚不均勻；即使均勻性輥塗法，受制於玻璃厚薄差、輥道傳輸抖動等多種因素的制約，也難以達到高精度的一致性。在鍍膜均勻性無法進一步提高的情況下，其結果一方面造成組件的色差影響外觀，另一方面由於鍍膜玻璃各區域透光率不一致造成熱斑效應，影響組件的耐久性。
針對這一問題，在製備太陽能電池時，一般是需要使用真空鍍膜手套箱的：由真空鍍膜系統和真空手套箱系統集成而成，可在高真空蒸鍍腔室中完成薄膜蒸鍍，並在手套箱高純惰性氣體氛圍下進行樣品的存放、製備以及蒸鍍後樣品的檢測。在手套箱氮氣環境裡里旋塗鈣鈦礦前驅液，避免接觸水和空氣，可以直接通過連接藏艙將製備好的鈣鈦礦電池傳到蒸發艙里，蒸發電極，全程實驗都可以做到無水無氧的環境下操作。
方腔室自動門熱蒸發鍍膜機嵌入手套箱內，配套膜厚儀，分子泵，機械泵，4個蒸發源，合理的蒸發源布局，保證每個蒸發源到基片的距離完全一樣，提高了成膜質量和均勻性；整套系統由真空鍍膜系統和手套箱系統集成而成，可在高真空蒸鍍腔室中完成薄膜蒸鍍，並在手套箱高純惰性氣體氛圍下進行樣品的存放、製備以及蒸鍍後樣品的檢測。主要用於太陽能電池鈣鈦礦、OLED和PLED、半導體製備等實驗研究與應用。
「從理論上說，當前單層鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率最高僅為33%，而雙層結構最高可達45%，發電效率越高，成本就越低。」長期的深入研究，讓譚海仁發現，想實現鈣鈦礦電池內部結構「從一到二」的跨越，還要考慮器件材料間如何「和諧共處」。而次此創新性的組件結構設計，顯著提升了組件的製備重複性、光伏性能以及穩定性。經日本電器安全和環境技術實驗室測定，該全鈣鈦礦疊層太陽能電池塊的光電轉化效率為21.7%，是目前報導鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率，這一成績被最新一期的《太陽電池世界紀錄表》收錄。
大面積鈣鈦礦疊層光伏組件展現的潛力激發了團隊更大的鬥志。譚海仁表示，如果要推動該技術的產業化，還要在印刷、製備鈣鈦礦的工藝上做更多研發。製備20平方厘米墨水相對簡單，但如果擴展到1平方米大小，需要創新哪些技術條件，還需要持續驗證。
21.7%的光電轉化率
這是一個了不起的紀錄
也讓人對未來中國太陽能充滿期待
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