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该研究由Dong Shi、Valerio Adinolfi、Riccardo Comin等多名作者共同完成，涉及多个研究机构，包括King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)、University of Toronto、Indiana University等。研究于2015年1月30日发表在《Science》期刊上，卷号为347，期号为6221。
该研究属于太阳能电池领域，特别是基于有机铅三卤化物钙钛矿（organolead trihalide perovskite）的太阳能电池研究。有机铅三卤化物钙钛矿（如MAPbX3，其中MA = CH3NH3+，X = Br–或I–）因其优异的光电性能，近年来在太阳能电池领域备受关注。然而，多晶MAPbX3薄膜中的广泛无序性阻碍了对其基本性能和极限性能的深入理解。因此，研究团队旨在通过合成大尺寸、高质量的MAPbX3单晶，详细表征其光学和电荷传输特性，以揭示其潜在性能。
研究主要分为以下几个步骤：
单晶合成
研究团队开发了一种抗溶剂蒸汽辅助结晶（antisolvent vapor-assisted crystallization, AVC）方法，用于合成大尺寸、无裂纹的MAPbX3单晶。该方法通过将抗溶剂（如二氯甲烷，DCM）缓慢扩散到含有晶体前体的溶液（如N,N-二甲基甲酰胺，DMF或γ-丁内酯，GBA）中，实现了高质量的晶体生长。合成的单晶体积超过100立方毫米，具有光滑表面、清晰边界和高透明度。
晶体表征
通过X射线衍射（XRD）确认了单晶的相纯度。XRD图谱显示，合成的MAPbX3单晶具有高度有序的晶体结构。
光学和电荷传输特性研究
研究团队详细表征了单晶的光吸收和光致发光（photoluminescence, PL）特性。光吸收谱显示，单晶的带边截止清晰，无激子特征，表明其带隙缺陷态极少。PL谱显示，单晶的PL峰位于带边附近，进一步证实了其高质量的晶体结构。
载流子寿命和迁移率测量
通过时间分辨光谱技术（如瞬态吸收光谱和PL衰减谱）测量了载流子寿命。结果显示，MAPbBr3单晶的载流子寿命分别为41 ns（快组分）和357 ns（慢组分），而MAPbI3单晶的载流子寿命分别为22 ns（快组分）和1032 ns（慢组分）。此外，通过时间飞行（time-of-flight, TOF）技术测量了载流子迁移率，MAPbBr3单晶的迁移率高达115 cm2/Vs。
陷阱态密度测量
通过空间电荷限制电流（space-charge-limited current, SCLC）技术测量了单晶的陷阱态密度。结果显示，MAPbBr3单晶的陷阱态密度低至5.8×10^9 cm^-3，MAPbI3单晶的陷阱态密度为3.3×10^10 cm^-3，远低于多晶硅和其他无机半导体材料。
高质量单晶的合成
通过AVC方法成功合成了大尺寸、高质量的MAPbX3单晶，体积超过100立方毫米，且无裂纹。
优异的光学和电荷传输特性
单晶的光吸收谱和PL谱显示其带隙缺陷态极少，PL峰位于带边附近，表明其高质量的晶体结构。
长载流子寿命和高迁移率
MAPbBr3单晶的载流子寿命长达357 ns，迁移率高达115 cm2/Vs；MAPbI3单晶的载流子寿命长达1032 ns，迁移率为2.5 cm2/Vs。
低陷阱态密度
MAPbBr3单晶的陷阱态密度低至5.8×10^9 cm^-3，MAPbI3单晶的陷阱态密度为3.3×10^10 cm^-3，远低于多晶硅和其他无机半导体材料。
该研究通过合成大尺寸、高质量的MAPbX3单晶，详细表征了其光学和电荷传输特性，揭示了其在太阳能电池中的优异性能。单晶的低陷阱态密度、长载流子寿命和高迁移率表明其具有极高的光电性能，为未来高效太阳能电池的开发提供了重要参考。
创新的单晶合成方法
开发了抗溶剂蒸汽辅助结晶（AVC）方法，成功合成了大尺寸、高质量的MAPbX3单晶。
优异的光电性能
单晶的低陷阱态密度、长载流子寿命和高迁移率表明其具有极高的光电性能。
详细的光学和电荷传输特性研究
通过多种先进技术（如XRD、PL、TOF、SCLC等）详细表征了单晶的光学和电荷传输特性，为理解其性能提供了全面的数据支持。
研究团队还通过密度泛函理论（density functional theory, DFT）计算，解释了实验中观察到的低陷阱态密度的物理机制。DFT计算表明，在Br-rich条件下合成的MAPbBr3单晶具有较高的深陷阱缺陷形成能，从而解释了其低陷阱态密度的实验结果。
通过该研究，团队不仅揭示了MAPbX3单晶的优异性能，还为未来高效太阳能电池的开发提供了重要的实验和理论依据。