記者13日從中國科學(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(wèn)題，成功構建鈣鈦礦同質(zhì)結，以促進(jìn)光生載流子的分離和提取。這證明了同質(zhì)結構筑策略在錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的應用潛力，也為其他鈣鈦礦光電器件的結構優(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(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，錫基鈣鈦礦半導體結晶速率快、p型自摻雜嚴重、與傳輸層能級匹配不佳等問(wèn)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(jìn)行摻雜設計，通過(guò)將鍺離子引入到活性層中，實(shí)現了鍺離子的梯度摻雜和同質(zhì)結構筑。鈣鈦礦半導體吸收層能級的梯度變化增強了內建電場(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(xiàn)光電子能譜表征，研究證實(shí)了錫基鈣鈦礦半導體薄膜中鍺離子的梯度摻雜，通過(guò)第一性原理計算的缺陷形成能和摻雜類(lèi)型結果揭示了構建同質(zhì)結的內在機制。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步器件工藝優(yōu)化，同質(zhì)結光伏器件的暗電流降低了兩個(gè)數量級，缺陷密度降低了一個(gè)數量級，功率轉換效率從11.2%提升至13.2%，在最大功率點(diǎn)連續運行250分鐘后仍然保持初始效率的95%以上，具有良好的穩定性。
研究人員表示，這項研究揭示了同質(zhì)結構筑的微觀(guān)機理，也為錫基鈣鈦礦半導體光電器件的結構設計和能級調控提供了一種可靠的方案。
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