近日，中國科學(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鉛鈣鈦礦太陽能電池研究中取得新進(jìn)展。針對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)合第一性原理計算進(jìn)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。

在能源危機、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。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技術(shù)之一，也是實現(xiàn)國家“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，近年來得到了越來越多的關(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、與傳輸層能級匹配不佳等問題，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(dǎo)體材料進(jìn)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(dǎo)體吸收層能級的梯度變化增強了內(nèi)建電場，從而促進(jìn)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(dǎo)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(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(dǎo)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.（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(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院研究生趙珍珠、孫沐霖和和中國科學(xué)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(xué)基金委、中央高校基礎(chǔ)科研經(jīng)費、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)雙一流計劃科研經(jīng)費、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實驗中心、合肥光源、上海同步輻射光源的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00646