中國科大在無鉛鈣鈦礦太陽能電池研究中取得新進展

　　近日，中國科學技術(shù)大學微電子學院特任研究員胡芹課題組在無鉛鈣鈦礦太陽能電池研究中取得新進展。針對非鉛錫基鈣鈦礦半導體存在的自摻雜嚴重、缺陷密度高、非輻射復合損失大等問題，該課題組成功構(gòu)建鈣鈦礦同質(zhì)結(jié)以促進光生載流子的分離和提取，并結(jié)合第一性原理計算進一步分析缺陷形成機制。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、環(huán)境污染加劇的全球背景下，推進低碳綠色能源發(fā)展已經(jīng)成為全球共識。光伏技術(shù)是推進綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新、合理配置能源結(jié)構(gòu)的前沿熱點技術(shù)之一，也是實現(xiàn)國家“碳達峰”和“碳中和”目標的重要舉措。目前，高效率鈣鈦礦光伏器件以鉛基鈣鈦礦半導體為主，但由于其含有重金屬鉛，對生態(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體具有更高的理論效率和較低的毒性，近年來得到了越來越多的關(guān)注。然而，錫基鈣鈦礦半導體存在的結(jié)晶速率快、p型自摻雜嚴重、與傳輸層能級匹配不佳等問題，導致光伏器件載流子提取困難、非輻射復合嚴重，器件的光電轉(zhuǎn)換效率與理論值相差較遠。通過在鈣鈦礦吸收層中引入同質(zhì)結(jié)，并進一步優(yōu)化摻雜濃度和能級匹配，可有效提高光生載流子在重摻雜半導體吸收層中的分離和傳輸，從而促進光電轉(zhuǎn)換效率的提升。然而，同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑對雜質(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)展的第一性原理計算軟件ABACUS(原子算籌)中的高精度雜化密度泛函計算功能，對錫基鈣鈦礦半導體材料進行摻雜設(shè)計，通過將鍺離子引入到活性層中，實現(xiàn)了鍺離子的梯度摻雜和同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑(圖a)。鈣鈦礦半導體吸收層能級的梯度變化增強了內(nèi)建電場，從而促進了光生載流子的分離和提取。研究通過不同深度的X射線光電子能譜(XPS)表征證實了錫基鈣鈦礦半導體薄膜中鍺離子的梯度摻雜(圖b)，通過第一性原理計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)在機制(圖c)。經(jīng)過進一步器件工藝優(yōu)化，同質(zhì)結(jié)光伏器件的暗電流降低了兩個數(shù)量級，缺陷密度降低了一個數(shù)量級，功率轉(zhuǎn)換效率從11.2%提升至13.2%(圖d)，在最大功率點連續(xù)運行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)筑的微觀機理，也為錫基鈣鈦礦半導體光電器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和能級調(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)基于第一性原理計算的缺陷形成能；(d)光伏器件J-V曲線對比圖；(e)器件最大功率點運行穩(wěn)定性。

 

　　中國科學技術(shù)大學微電子學院研究生趙珍珠、孫沐霖和和中國科學院量子信息重點實驗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家自然科學基金委、中央高?；A(chǔ)科研經(jīng)費、中國科學技術(shù)大學雙一流計劃科研經(jīng)費、中國科學技術(shù)大學國家同步輻射實驗室(合肥光源)聯(lián)合基金及中德交流博士后項目的資助。同時也得到了中國科學技術(shù)大學微納研究與制造中心、中國科學技術(shù)大學理化科學實驗中心、合肥光源、上海同步輻射光源的支持。　(微電子學院，科研部)