13日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校微電子學(xué)院特任研究員胡芹課題組，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，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。這證明了同質(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)化提供了新思路。該成果日前發(fā)表于國(guó)際知名期刊《納米通訊》，并被選為封面論文。
目前，高效率鈣鈦礦光伏器件以鉛基鈣鈦礦半導(dǎo)體為主，但其含有重金屬鉛，對(duì)生態(tài)環(huán)境和公共健康具有潛在危害。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)受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體結(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)。
針對(duì)上述難題，研究人員對(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。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。通過(guò)不同深度的X射線光電子能譜表征，研究證實(shí)了錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜中鍺離子的梯度摻雜，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。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%，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，具有良好的穩(wěn)定性。
研究人員表示，這項(xiàng)研究揭示了同質(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。
