圖1.鈣鈦礦型太陽能電池結構示意圖; (b)不同銀注入比例下的鈣鈦礦能級圖; (c)不同銀注入比例下的鈣鈦礦器件電壓-電流效率曲線.
圖2.(a)橫截面掃描開爾文探針顯微鏡表徵反式結構有機太陽能電池能級排布示意圖; (b)通過反卷積演算法還原器件真實的電勢分布.
近年來, 新型薄膜太陽能電池, 例如有機/無機雜化鈣鈦礦器件, 有機光伏器件等, 以其低成本, 高效率, 結構簡單, 柔性攜帶等優點, 引起了廣泛關注. 對於薄膜太陽能電池而言, 器件能級排布決定著光生載流子的分離, 複合, 傳輸和收集等微觀物理過程, 是器件性能的重要決定因素之一. 如何有效調控和表徵器件能級排布, 是理解器件工作機理, 指導材料篩選和器件工藝優化等的重要切入點.
近日, 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員陳立桅課題組在薄膜太陽能電池能級排布的調控和表徵兩方面研究中取得新進展:
1.在有機/無機雜化鈣鈦礦光伏器件中, 深入理解材料摻雜, 能級調控與器件性能的相互聯繫. 第一性原理計算表明, 金屬離子的外層電子軌道是有機/無機雜化鈣鈦礦能帶結構的重要決定因素, 進而影響其材料的光學和電學性質. 國內外多個研究小組報道, 少量金屬離子替代Pb2+可以有效提升器件性能, 但能級結構演化與器件性能的相互作用機制缺乏深入研究. 陳立桅課題組使用Ag+替換部分Pb2+在鈣鈦礦中引入受主態, 使得原本呈n型的鈣鈦礦材料的費米能級向禁帶中央移動, 呈現本徵半導體的性質, 這樣的變化有效降低鈣鈦礦中的電子濃度, 有益於載流子的平衡輸運. 通過優化銀摻雜比例, 提高鈣鈦礦材料結晶性, 改善薄膜形貌和載流子動力學. 在這些因素協同促進下, 反式結構鈣鈦礦平面異質結器件 (ITO/Cu:NiOx/perovskite/PCBM/Ag) 效率從16.0%提高到18.4% (圖1) . 進一步地, 通過等效電路模型證實了鈣鈦礦載流子濃度與器件性能的相互作用關係. 相關研究成果發表在Nano Lett.上.
2.在有機薄膜光伏器件中, 在器件工況下定量表徵了反式器件的能級排布. 對於薄膜太陽能電池層層堆疊這種垂直封閉型結構, 目前缺乏有效的手段直觀地測量器件工況下(operando)的能級結構. 陳立桅課題組在Nat. Commun.報道了橫截面掃描開爾文探針顯微鏡(cross-sectional SKPM), 可以實現短路, 開路, 暗態和光照等器件工況下的能級結構測量, 但能級排布的定量測量依然懸而未決. 進一步研究, 陳立桅課題組發現針尖/懸樑臂卷積效應是影響器件能級結構的定量測量的重要因素, 在存在界面能級突變的反型器件中(ITO/ZnO/BHJ/MoOx/Al)卷積效應甚至能掩蓋真實的電勢分布, 得出方向錯誤的內建電場. 為解決這一問題, 他們與陸書龍課題組合作, 用分子束外延生長的GaAs/GaInP異質結校準針尖傳遞函數, 藉助反卷積演算法去除針尖平均效應, 還原出反式器件真實的能級排布 (圖2) . 相關研究成果發表在Nano Energy上, 並在《物理化學學報上》撰寫專論.
研究工作得到了美國華盛頓大學教授Alex Jen, 蘇州納米所研究員陸書龍和馬昌期等的支援. 研究工作受到國家自然科學基金, 科技部重點研發計劃以及中科院科研裝備項目的經費資助與研發條件支援.
