13日從中國科學技術大學獲悉，該校微電子學院特任研究員胡芹課題組，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，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。這證明了同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑策略在錫基鈣鈦礦太陽能電池領域的應用潛力，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體為主，但其含有重金屬鉛，對生態(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體具有更高的理論效率和較低的毒性，近年來受到越來越多的關注。然而，錫基鈣鈦礦半導體結(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。
針對上述難題，研究人員對錫基鈣鈦礦半導體材料進行摻雜設計，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。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。通過不同深度的X射線光電子能譜表征，研究證實了錫基鈣鈦礦半導體薄膜中鍺離子的梯度摻雜，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。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%，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，具有良好的穩(wěn)定性。
研究人員表示，這項研究揭示了同質(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)設計和能級調(diào)控提供了一種可靠的方案。
