無鉛鈣鈦礦太陽能電池功率轉換效率達13.2％

科技日報記者 吳長鋒

記者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，成功構建鈣鈦礦同質結，以促進光生載流子的分離和提取。這證明了同質結構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構優化提供了新思路。該成果日前發表于國際知名期刊《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，對生態環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，實現了鍺離子的梯度摻雜和同質結構筑。鈣鈦礦半導體吸收層能級的梯度變化增強了內建電場，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果揭示了構建同質結的內在機制。經過進一步器件工藝優化，同質結光伏器件的暗電流降低了兩個數量級，缺陷密度降低了一個數量級，功率轉換效率從11.2%提升至13.2%，在最大功率點連續運行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結構筑的微觀機理，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。