在能源危機(jī)、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(shí)。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(diǎn)技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)國家“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的重要舉措。
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了新的進(jìn)展。該課題組針對(duì)非鉛錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體在實(shí)際應(yīng)用中存在的自摻雜嚴(yán)重、缺陷密度高、非輻射復(fù)合損失大等問題，成功構(gòu)建了鈣鈦礦同質(zhì)結(jié)，并通過促進(jìn)光生載流子的分離和提取來提高光伏器件效率和穩(wěn)定性。
為了解決非鉛錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體的自摻雜問題，研究人員采用了同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑策略。他們利用先進(jìn)的材料合成技術(shù)，成功地構(gòu)建了具有良好結(jié)晶度和界面質(zhì)量的鈣鈦礦同質(zhì)結(jié)。通過這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，光生載流子可以更容易地在材料內(nèi)部分離并被提取出來，從而提高了光伏器件的效率。
此外，該課題組還結(jié)合第一性原理計(jì)算方法對(duì)形成缺陷的機(jī)制進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。通過理論計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)了非鉛錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體中缺陷的形成機(jī)制，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略。這些理論計(jì)算結(jié)果為我們深入了解材料的性質(zhì)和改進(jìn)器件性能提供了重要的指導(dǎo)。
研究人員通過在無鉛鈣鈦礦太陽能電池中引入同質(zhì)結(jié)構(gòu)筑策略，成功地提高了光伏器件的效率和穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究成果不僅展示了同質(zhì)結(jié)構(gòu)在錫基鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力，也為其他鈣鈦礦光電器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了新的思路。
值得一提的是，相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在國際知名期刊《Nano Letters》上，并且被選為封面論文。這表明該研究的重要性和創(chuàng)新性受到了國際同行的認(rèn)可。
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(duì)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(jí)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(jí)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(duì)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(duì)上述挑戰(zhàn)，中國科大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(jì)算軟件ABACUS(原子算籌)中的高精度雜化密度泛函計(jì)算功能，對(duì)錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜設(shè)計(jì)，通過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，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(shí)了錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜中鍺離子的梯度摻雜，通過第一性原理計(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。
綜上所述，該工作不僅利用第一性原理計(jì)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(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。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院研究生趙珍珠、孫沐霖和中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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?；A(chǔ)科研經(jīng)費(fèi)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)雙一流計(jì)劃科研經(jīng)費(fèi)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室(合肥光源)聯(lián)合基金及中德交流博士后項(xiàng)目的資助。同時(shí)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(shí)驗(yàn)中心、合肥光源、上海同步輻射光源的支持。
未來，胡芹課題組將繼續(xù)深入研究無鉛鈣鈦礦太陽能電池，并進(jìn)一步探索新的材料、結(jié)構(gòu)和工藝等方面的創(chuàng)新，以進(jìn)一步提高太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，推動(dòng)太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，他們的研究成果也為中國在光伏領(lǐng)域的科研實(shí)力提供了有力支撐，為推動(dòng)中國能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。
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