中安在線、中安新聞客戶端訊 記者5月10日從中國科大獲悉，近日，中國科學技術大學微電子學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新進展。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，該課題組成功構建鈣鈦礦同質結以促進光生載流子的分離和提取，并結合第一性原理計算進一步分析缺陷形成機制。光伏器件效率和穩定性的同步提升證明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一種新思路，相關成果發表于國際知名期刊Nano　Letters，并被選為封面論文。

在能源危機、環境污染加劇的全球背景下，推進低碳綠色能源發展已經成為全球共識。光伏技術是推進綠色低碳技術創新、合理配置能源結構的前沿熱點技術之一，也是實現國家“碳達峰”和“碳中和”目標的重要舉措。
目前，高效率鈣鈦礦光伏器件以鉛基鈣鈦礦半導體為主，但由于其含有重金屬鉛，對生態環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注。
然而，錫基鈣鈦礦半導體存在的結晶速率快、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。
通過在鈣鈦礦吸收層中引入同質結，并進一步優化摻雜濃度和能級匹配，可有效提高光生載流子在重摻雜半導體吸收層中的分離和傳輸，從而促進光電轉換效率的提升。然而，同質結構筑對雜質離子的篩選、摻雜濃度和制備工藝均有較高的要求。
針對上述挑戰，中國科大胡芹課題組和何力新教授課題組合作，利用自主發展的第一性原理計算軟件ABACUS（原子算籌）中的高精度雜化密度泛函計算功能，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。研究通過不同深度的X射線光電子能譜（XPS）表征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。
綜上所述，該工作不僅利用第一性原理計算和分子水平的表征技術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。
中國科學技術大學微電子學院研究生趙珍珠、孫沐霖和中國科學院量子信息重點實驗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基金委、中央高?；A科研經費、中國科學技術大學雙一流計劃科研經費、中國科學技術大學國家同步輻射實驗室（合肥光源）聯合基金及中德交流博士后項目的資助。同時也得到了中國科學技術大學微納研究與制造中心、中國科學技術大學理化科學實驗中心、合肥光源、上海同步輻射光源的支持。