近期，我校材料科學與工程學院曹丙強教授及其團隊在鈣鈦礦半導體能帶工程和雜質工程研究中取得系列進展，相關結果發表在ACS Appl. Electron. Mater和Appl. Phys. Lett.，其中一篇APL論文被選為Editor's Pick特色論文，并引起國內外研究組廣泛關注。

利用半導體光伏效應發電是太陽能利用的最重要方式之一，自2009 年問世以來，基于有機無機雜化鈣鈦礦的太陽能電池光電轉化效率已由最初的3.8%飆升至25.9 %，接近產業化晶硅電池最高效率（26.3%），是最有產業化希望的新一代太陽能電池。目前基于非故意摻雜甲胺鉛碘（MAPbI₃）多晶薄膜構成的P-i-N電池，因存在大量低結晶度晶界，導致該類電池在室溫工作條件下即發生快速離子遷移而導致電池失效，加之鉛元素具有一定毒性，嚴重阻礙其產業化進程。

材料科學與工程學院碩士生劉婷同學利用逆溫結晶法生長了Cu摻雜的MAPb_1-xCu_xI₃單晶，利用金屬元素Cu²⁺實現了Pb²⁺位替代，不僅部分降低了鉛系鈣鈦礦材料的毒性，通過調控Pb/Cu比例形成Pb-Cu合金，還可調整MAPb_1-xCu_xI₃半導體合金的帶隙。更有意思的是，進入鈣鈦礦晶格中的Cu²⁺離子一部分被還原為Cu⁺，Cu⁺作為受主摻雜劑產生空穴載流子，隨著Cu⁺濃度的增加，使得其電導率類型由弱n型轉變為明顯p型，電導率明顯降低，呈現出半導體摻雜過程中經典的雜質補償現象（Dopant compensation）。極性可控的高阻態鈣鈦礦晶體對于X/γ射線光電探測器及空間電池應用尤為重要。該結果發表在Appl. Phys. Lett.上（2022, 10.1063/5.0095370），并被選為Editor's Pick特色論文。

為提高大面積鈣鈦礦薄膜材料和器件的穩定性，博士生袁蓓蕾同學利用曹丙強教授自主設計搭建的脈沖激光沉積系統(PLD)，通過薄膜贗晶逐層生長方式，實現了CsPbBr₃鈣鈦礦薄膜在SrTiO₃襯底上的外延生長（epitaxy），來自襯底的界面壓應力促使薄膜保持穩定的鈣鈦礦相，且外延單晶薄膜具有較高的準本征單晶特性。碩士生周煜同學通過控制CsPb(I_xCl_yBr_1-x-y)₃系列合金薄膜中鹵素原子的組成和比例，發現隨鹵素成分變化，可以將鈣鈦礦相合金薄膜的光學帶隙從1.75 eV (CsPbI₃)連續調整到2.98 eV (CsPbCl₃)，足以覆蓋整個可見區域。同時，鈣鈦礦合系列金薄膜呈現Ⅰ型（Type-I）帶階結構變化，這將有利于實現能隙梯度太陽能電池，構建二維電子氣、量子阱等鈣鈦礦異質結構。相關結果發表在ACS Appl. Electron. Mater(2021, 10.1021/acsaelm.1c01033)和Appl. Phys. Lett.（2022, 10.1063/5.0081955），并引起國內外研究組廣泛關注。

《Applied Physics Letters》是美國物理聯合會(AIP)旗下的旗艦期刊，在物理學和材料科學研究領域享有良好的學術聲譽和重要的影響力，是Nature出版社評選的82種自然指數(Nature Index)期刊之一。上述三位研究生分別為論文第一作者，濟南大學為論文第一完成單位，曹丙強教授為論文唯一通訊作者。該工作得到國家自然科學基金（51872161）和濟南市“高校20條”項目（2020GXRC020）的經費支持。

撰稿：侯鵬坤        編輯：趙華磊        編審：賈海寧