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日前，重慶科技學院物質大學陳剛院長課題組在砷化鎵薄膜的制備和原位表征方面再度取得重要進展。她們創新性地使用丁胺二氧化碳對三維砷化鎵薄膜進行表面處理，獲得二維三維復合結構的砷化鎵薄膜；同時借助同步幅射原位X射線表面掠入射衍射技術深入研究了表面二維材料的結構、成分和生長機理；通過將結構優化的二維三維復合砷化鎵薄膜應用于光伏元件中，獲得了高效穩定的砷化鎵太陽能電板。目前，該成果以“InSituofVapor-2D-3DforandSolarCells”為題，發表于國際著名學術刊物Nano。
論文鏈接：
作為一種新興的光伏技術，砷化鎵太陽能電板的光電轉換效率迅速提高，而且，怎么制備大面積且穩定的電瓶元件是其產業化應用過程中面臨的主要問題。已有研究表明薄膜制備，在傳統的三維砷化鎵表面進行二維結構修飾有助于提高砷化鎵的效率和穩定性。在這種表面處理的工藝中，最常見的方法是在砷化鎵薄膜上旋涂長鏈有機鹽氨水。但是，旋涂堿液法不可防止地破壞薄膜表面的形貌，且該方式不適用于制備大面積的電瓶元件。
圖1：X光原位觀測丁胺二氧化碳引導的氮化物薄膜由三維向二維結構變遷的藝術展示（Image:Vera）
在陳剛院士團隊的這一項研究中，科研人員引入丁胺二氧化碳輔助的方式，在常溫常壓下對最常用的三維氮化物碘化鉛甲胺（）進行二氧化碳熏蒸處理，生成均勻的復合相二維表面層，并與三維氮化物產生三維/二維復合結構的氮化物薄膜。她們運用同步幅射原位X射線衍射技術薄膜制備，輔之以螢光波譜和掃描電鏡技術，詳盡研究了薄膜在丁胺二氧化碳中產生二維復合物的結構與成份，以及反應進行的過程。
圖2：丁胺二氧化碳與氮化物反應過程的原位同步幅射X射線衍射實驗觀測
科研人員將此工藝應用于太陽能電板的制備，在提升砷化鎵太陽能電板效率的同時，也明顯提升了其穩定性。研究人員進一步研究了三維/二維復合結構砷化鎵薄膜的基態，發覺二維復合物層在光伏元件中可以制止光生電子從三維砷化鎵向空穴傳輸層的反向轉移，同時保證了空穴的高效轉移，由此提高了元件的效率。這一二氧化碳輔助處理法有望運用于大面積砷化鎵太陽能電板元件的組裝和制備。
物質大學2015級博士研究生劉洲為文章第一作者，陳剛院長為通信作者，北京科技學院為第一完成單位。該研究得到了國家自然科學基金、上海市教委、上交大啟動經費及北京光源的大力支持。（來源：北京科技學院物質大學）