近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院特任研究員胡芹課題組在無(wú)鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究中取得新進(jìn)展。針對(duì)非鉛錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體存在的自摻雜嚴(yán)重、缺陷密度高、非輻射復(fù)合損失大等問(wèn)題，該課題組成功構(gòu)建鈣鈦礦同質(zhì)結(jié)以促進(jìn)光生載流子的分離和提取，并結(jié)合第一性原理計(jì)算進(jìn)一步分析缺陷形成機(jī)制。光伏器件效率和穩(wěn)定性的同步提升證明同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑策略在錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，也為其他鈣鈦礦光電器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一種新思路，相關(guān)成果以“Efficient Homojunction Tin Perovskite Solar Cells Enabled by Gradient Germanium Doping”為題發(fā)表于國(guó)際知名期刊Nano Letters，并被選為封面論文。
圖1. Nano Letters論文封面
在能源危機(jī)、環(huán)境污染加劇的全球背景下，推進(jìn)低碳綠色能源發(fā)展已經(jīng)成為全球共識(shí)。光伏技術(shù)是推進(jìn)綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新、合理配置能源結(jié)構(gòu)的前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)國(guó)家“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的重要舉措。目前，高效率鈣鈦礦光伏器件以鉛基鈣鈦礦半導(dǎo)體為主，但由于其含有重金屬鉛，對(duì)生態(tài)環(huán)境和公共健康具有潛在的危害。相比之下，非鉛錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體具有更高的理論效率和較低的毒性，近年來(lái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。然而，錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體存在的結(jié)晶速率快、p型自摻雜嚴(yán)重、與傳輸層能級(jí)匹配不佳等問(wèn)題，導(dǎo)致光伏器件載流子提取困難、非輻射復(fù)合嚴(yán)重，器件的光電轉(zhuǎn)換效率與理論值相差較遠(yuǎn)。通過(guò)在鈣鈦礦吸收層中引入同質(zhì)結(jié)，并進(jìn)一步優(yōu)化摻雜濃度和能級(jí)匹配，可有效提高光生載流子在重?fù)诫s半導(dǎo)體吸收層中的分離和傳輸，從而促進(jìn)光電轉(zhuǎn)換效率的提升。然而，同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑對(duì)雜質(zhì)離子的篩選、摻雜濃度和制備工藝均有較高的要求。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，我校胡芹課題組和何力新教授課題組合作，利用自主發(fā)展的第一性原理計(jì)算軟件ABACUS(原子算籌)中的高精度雜化密度泛函計(jì)算功能，對(duì)錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜設(shè)計(jì)，通過(guò)將鍺離子引入到活性層中，實(shí)現(xiàn)了鍺離子的梯度摻雜和同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑(圖a)。鈣鈦礦半導(dǎo)體吸收層能級(jí)的梯度變化增強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，從而促進(jìn)了光生載流子的分離和提取。研究通過(guò)不同深度的X射線光電子能譜(XPS)表征證實(shí)了錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜中鍺離子的梯度摻雜(圖b)，通過(guò)第一性原理計(jì)算的缺陷形成能和摻雜類型結(jié)果揭示了構(gòu)建同質(zhì)結(jié)的內(nèi)在機(jī)制(圖c)。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步器件工藝優(yōu)化，同質(zhì)結(jié)光伏器件的暗電流降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，缺陷密度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，功率轉(zhuǎn)換效率從11.2%提升至13.2%(圖d)，在最大功率點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行250分鐘后仍然保持初始效率的95%以上(圖e)，具有良好的穩(wěn)定性。綜上所述，本工作不僅利用第一性原理計(jì)算和分子水平的表征技術(shù)揭示了同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑的微觀機(jī)理，也為錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體光電器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和能級(jí)調(diào)控提供了一種可靠的方案。
圖2.(a)器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)鍺離子深度分布圖；(c)基于第一性原理計(jì)算的缺陷形成能；(d)光伏器件J-V曲線對(duì)比圖；(e)器件最大功率點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院研究生趙珍珠、孫沐霖和和中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室季雨楊為該論文共同第一作者，胡芹特任研究員、何力新教授、李渝博士、陳文靜博士為該論文共同通訊作者。此研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中央高校基礎(chǔ)科研經(jīng)費(fèi)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)雙一流計(jì)劃科研經(jīng)費(fèi)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室(合肥光源)聯(lián)合基金及中德交流博士后項(xiàng)目的資助。同時(shí)也得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、合肥光源、上海同步輻射光源的支持。 (微電子學(xué)院，科研部)
