新型原位光電電子顯微學技術構建太陽能電池結構

　　近日，東南大學電子科學與工程學院孫立濤教授團隊在原位光電器件研究方面取得重要進展，其研究成果以“'In situ interface engineering for probing the limit of quantum dot photovoltaic devices”為題在最新一期Nature子刊《Nature Nanotechnology》（影響因子33.4）上在線發表。該項成果以東南大學為第一完成單位，博士生董輝、青年教師徐峰為共同第一作者，孫立濤教授為責任通訊作者。

圖1（a）透射電子顯微鏡中原位構建量子點異質結太陽能電池結構示意圖；（b）單根納米線/量子點異質結電池的TEM圖像及（c）局部原子尺度高分辨TEM像和（d）有光及無光下的光電流響應（pA量級）。

　　能源是滿足人類社會基本需求和可持續發展的重要物質保障，因化石能源的不可再生性和全球對溫室效應的關注，太陽能的有效利用正成為越來越多國家的首要選擇。量子點太陽能電池具有制備成本低廉、帶隙可調、理論轉換效率高等諸多優點，在太陽能轉換領域有著巨大的應用潛力。然而目前光電轉換效率仍遠遠低于理論轉換效率。如何在微觀尺度下探究效率低的根本原因并為設計高轉換效率太陽能電池提供指導？這一問題向現代研究方法提出了理論和技術的挑戰。

　　針對以上問題，孫立濤教授團隊自主發展了一種新型的原位光電-電子顯微學技術，基于此構建了目前世界上最小尺度的量子點異質結太陽能電池結構（僅包含單根納米線、量子點和電極，如圖1a 和 1b所示），在光場作用下可同時實現材料結構的原子尺度表征（如圖1c所示）和器件中皮安精度光電流的原位測量（如圖1d所示）。通過原位調控光電子可能發生復合的界面大小，大大改善了電池的轉化效率，揭示了界面工程對太陽能電池轉化效率提升的重要作用。該研究成果有助于更好地理解量子點異質結太陽能電池高轉換效率的內在機制，促進高轉化效率太陽能電池及相關光電器件的研究與優化設計。同時，該成果也為直接研究納米尺度的器件提供了最佳實驗條件，推動原位器件電子顯微學的快速發展。

　　以上工作得益于學校長期對基礎前沿研究和國際學術交流的大力支持與重視，是東南大學電子學科與材料、物理、化學等多學科交叉與融合的結果。該項目的合作者浙江大學張澤院士、加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授為共同通訊作者，澳大利亞昆士蘭科技大學孫子其教授為共同第一作者。該項目歷時7年多，得到了國家重大科研儀器設備研制專項、國家重點研發計劃、國家自然科學基金委等項目的共同資助。

　　孫立濤教授課題組近年來自主發展了多種原位透射電子顯微學技術，已經在亞10nm材料表面效應、原子尺度制造和微納器件等研究領域取得了一系列創新成果。至今，孫立濤教授已累計在Science、Nature及Nature子刊發表文章16篇。