物質學院寧志軍、紀清清課題組與合作團隊揭示鉛鹵素鈣鈦礦類似傳統半導體的電學摻雜特性

ON2024-03-01CATEGORY科研進展

半導體材料是芯片工業的基礎,新型半導體材料的研發為提升和擴展半導體芯片的功能帶來了更多機遇。近年來,隨著器件性能的快速提升,有機無機雜化鉛鹵素鈣鈦礦材料已成為公認極具前景的新型半導體材料。

對于傳統半導體材料和器件,通過控制電學摻雜分布構建內建電場是一種常見的提高太陽能電池載流子提取效率的方法。但是對于鉛鈣鈦礦材料,目前一般認為鉛鹵素鈣鈦礦是雙極性半導體,難以利用本征缺陷進行有效的電學摻雜;且由于鈣鈦礦的載流子擴散長度較大,普遍認為內建電場對于其中的載流子收集并非必要;此外,目前實驗測得的鈣鈦礦載流子濃度一般在1013~1014級,也不足以形成有效的電場用于載流子提取。

針對上述問題,上??萍即髮W物質科學與技術學院寧志軍團隊、紀清清團隊、鄭帆團隊,中國科學技術大學樊逢佳團隊,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所陳琪團隊和上海同步輻射光源高興宇團隊合作,證明了通過分子遠程摻雜可以實現對鉛鹵素鈣鈦礦薄膜電荷類型和濃度進行調控,并在三維結構表面制備n型低維結構形成垂直異質結促進載流子收集,使鈣鈦礦疊層太陽能電池效率達到27%以上。相關工作最近發表于期刊《國家科學評論》(National Science Review, NSR)。

為了準確測量鈣鈦礦的電學特性,這項工作制備了基于叉指電極陣列的鈣鈦礦場效應管,并通過脈沖柵壓法進行電學測試,從而抑制了離子遷移造成的轉移曲線遲滯,實現了鉛鹵素鈣鈦礦電學摻雜濃度的準確標定(圖1)。未摻雜的薄膜展現出雙極性性質,使用乙二銨離子摻雜的薄膜顯現出n型性質,電荷密度接近1016量級,而采用苯乙銨處理的薄膜表現出p型性質。采用紫外光電子能譜和Kelvin探針測試得到的薄膜電勢位置的變化和電學摻雜濃度的變化一致,進一步證實了遠程分子摻雜對薄膜電學性質的調控作用。此外采用類似結構的二銨離子摻雜也可以提升表面電勢(n摻),而通過改變乙二銨離子濃度可以對表面電勢進行連續調控。這些表征進一步證實了乙二銨離子可以對鈣鈦礦薄膜進行有效的電學摻雜。

為了理解分子摻雜機制,研究人員采用第一性原理計算了乙二銨離子的摻雜結構,揭示了乙二銨陽離子可以替換Pb+I兩個位置的離子,造成n型摻雜;而對于基于苯乙銨的二維結構鈣鈦礦,形成Pb+I空位缺陷的形成能大幅降低,導致形成p型摻雜(圖2)。分子摻雜帶來的多位點離子替換為薄膜的電學摻雜提供了解釋。

在充分理解鈣鈦礦電學摻雜特性的基礎上,研究人員進一步通過乙二銨離子和苯乙銨離子共摻雜方式在三維結構表面制備了n型低維結構,和底層的雙極性三維結構形成異質結,降低了界面電子傳輸勢壘并提高載流子抽取效率。通過瞬態吸收光譜和瞬態光電流的方法對載流子的轉移速度進行表征,證實了表面異質結的形成有利于加快載流子的提?。▓D3)。此外表面低維結構有效鈍化了鈣鈦礦表面,降低了界面缺陷。

通過三維-低維異質結結構有效提升了反式結構寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池電流和電壓,第三方認證效率達到19.3%,通過寬帶隙鈣鈦礦和窄帶隙鈣鈦礦的疊加制備的疊層電池效率達到了27%以上(圖4)。這一方法在正常帶隙反式結構鈣鈦礦電池中也得到了驗證,有效提升了器件效率。此外,通過表面異質結的構筑加快載流子提取,可有效降低表面電荷的積累,抑制器件中離子的遷移,提升器件的穩定性。

這一工作證明了分子離子摻雜可實現對鉛鹵素鈣鈦礦的電學摻雜,為理解鉛鈣鈦礦的工作機制和器件結構設計提供了思路,三維-低維結構異質結的構筑為提升反式結構鈣鈦礦太陽能電池的效率提供了一種有效方法。

上??萍即髮W物質學院博士后姜顯園和研究生周麒麟為共同第一作者,寧志軍教授、紀清清教授為共同通訊作者。上科大為第一完成單位。該成果充分體現了上科大研究團隊高效的跨領域交叉合作,也展現了學校先進科研平臺的支撐水平。上??萍即髮W分析測試中心、電鏡中心、分析測試中心為材料分析測試提供了幫助。


1:通過場效應管和紫外光電子能譜方法測試鈣鈦礦薄膜電荷濃度和電勢


2:通過第一性原理模擬得到的分子摻雜結構和形成能


3:鈣鈦礦表面能帶結構變化示意圖


4:單節寬帶隙鈣鈦礦和鈣鈦礦疊層太陽能電池結構與性能

 

論文名稱:Surface heterojunction based on n-type low dimensional perovskite film for highly efficient perovskite tandem solar cells

論文鏈接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwae055