在能源危机、环境污染加剧的全球背景下，推进低碳绿色能源发展已经成为全球共识。光伏技术是推进绿色低碳技术创新、合理配置能源结构的前沿热点技术之一，也是实现国家“碳达峰”和“碳中和”目标的重要举措。
近日，中国科学技术大学微电子学院特任研究员胡芹课题组在无铅钙钛矿太阳能电池研究中取得了新的进展。该课题组针对非铅锡基钙钛矿半导体在实际应用中存在的自掺杂严重、缺陷密度高、非辐射复合损失大等问题，成功构建了钙钛矿同质结，并通过促进光生载流子的分离和提取来提高光伏器件效率和稳定性。
为了解决非铅锡基钙钛矿半导体的自掺杂问题，研究人员采用了同质结构筑策略。他们利用先进的材料合成技术，成功地构建了具有良好结晶度和界面质量的钙钛矿同质结。通过这种结构的设计，光生载流子可以更容易地在材料内部分离并被提取出来，从而提高了光伏器件的效率。
此外，该课题组还结合第一性原理计算方法对形成缺陷的机制进行了进一步的分析。通过理论计算，研究人员发现了非铅锡基钙钛矿半导体中缺陷的形成机制，并提出了相应的优化策略。这些理论计算结果为我们深入了解材料的性质和改进器件性能提供了重要的指导。
研究人员通过在无铅钙钛矿太阳能电池中引入同质结构筑策略，成功地提高了光伏器件的效率和稳定性。这项研究成果不仅展示了同质结构在锡基钙钛矿太阳能电池领域中的应用潜力，也为其他钙钛矿光电器件的结构优化提供了新的思路。
值得一提的是，相关研究成果已经发表在国际知名期刊《Nano Letters》上，并且被选为封面论文。这表明该研究的重要性和创新性受到了国际同行的认可。
目前，高效率钙钛矿光伏器件以铅基钙钛矿半导体为主，但由于其含有重金属铅，对生态环境和公共健康具有潜在的危害。相比之下，非铅锡基钙钛矿半导体具有更高的理论效率和较低的毒性，近年来得到了越来越多的关注。
然而，锡基钙钛矿半导体存在的结晶速率快、p型自掺杂严重、与传输层能级匹配不佳等问题，导致光伏器件载流子提取困难、非辐射复合严重，器件的光电转换效率与理论值相差较远。
通过在钙钛矿吸收层中引入同质结，并进一步优化掺杂浓度和能级匹配，可有效提高光生载流子在重掺杂半导体吸收层中的分离和传输，从而促进光电转换效率的提升。然而，同质结构筑对杂质离子的筛选、掺杂浓度和制备工艺均有较高的要求。
针对上述挑战，中国科大胡芹课题组和何力新教授课题组合作，利用自主发展的第一性原理计算软件ABACUS(原子算筹)中的高精度杂化密度泛函计算功能，对锡基钙钛矿半导体材料进行掺杂设计，通过将锗离子引入到活性层中，实现了锗离子的梯度掺杂和同质结构筑。
钙钛矿半导体吸收层能级的梯度变化增强了内建电场，从而促进了光生载流子的分离和提取。研究通过不同深度的X射线光电子能谱(XPS)表征证实了锡基钙钛矿半导体薄膜中锗离子的梯度掺杂，通过第一性原理计算的缺陷形成能和掺杂类型结果揭示了构建同质结的内在机制。经过进一步器件工艺优化，同质结光伏器件的暗电流降低了两个数量级，缺陷密度降低了一个数量级，功率转换效率从11.2%提升至13.2%，在最大功率点连续运行250分钟后仍然保持初始效率的95%以上，具有良好的稳定性。
综上所述，该工作不仅利用第一性原理计算和分子水平的表征技术揭示了同质结构筑的微观机理，也为锡基钙钛矿半导体光电器件的结构设计和能级调控提供了一种可靠的方案。
中国科学技术大学微电子学院研究生赵珍珠、孙沐霖和中国科学院量子信息重点实验室季雨杨为该论文共同第一作者，胡芹特任研究员、何力新教授、李渝博士、陈文静博士为该论文共同通讯作者。此研究工作得到了国家自然科学基金委、中央高校基础科研经费、中国科学技术大学双一流计划科研经费、中国科学技术大学国家同步辐射实验室(合肥光源)联合基金及中德交流博士后项目的资助。同时也得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心、中国科学技术大学理化科学实验中心、合肥光源、上海同步辐射光源的支持。
未来，胡芹课题组将继续深入研究无铅钙钛矿太阳能电池，并进一步探索新的材料、结构和工艺等方面的创新，以进一步提高太阳能电池的效率和稳定性，推动太阳能产业的发展。同时，他们的研究成果也为中国在光伏领域的科研实力提供了有力支撑，为推动中国能源转型和可持续发展做出了积极贡献。
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