葛子义：n型故意掺杂钙钛矿及其高效Schottky/p-n复合型异质结光伏器件的构建

xiadie

钙钛矿太阳电池以其高速增长的光电转换效率引起了学术界及工业界的广泛关注。基于数十年来有机和有机无机杂化等太阳电池体系的研究经验积累，高效稳健的钙钛矿太阳电池一般也具有n-i-p或p-i-n的非对称能带结构。在此结构中n型电子传输层一般具与钙钛矿导带匹配的导带能级和较深的价带能级，可以有效收集电子而阻挡空穴，而p型空穴传输层可以有效收集空穴而阻挡电子，由此实现高效的载流子分离、收集和传输。光电物理特性的研究则表明钙钛矿材料具有双极性的载流子传输特性，特别是无空穴传输层器件的实践进一步表明钙钛矿自身的一部分可同时充当吸收层和载流子传输层。为了进一步简化器件结构、制备工艺流程并充分挖掘钙钛矿材料的潜力，无电子传输层器件逐渐得到关注。然而，由于缺乏器件界面能带结构和电荷转移动力学等工作机制的深入理解，该类器件的研究严重落后于无空穴传输层器件。

针对该问题，中科院宁波材料所葛子义研究员团队通过引入外部n型掺杂剂来控制钙钛矿的载流子和导电类型，由此来协同优化钙钛矿吸收层前后界面的能带结构和能级对准，构建了具有高效整流特性的无电子传输层器件，为进一步揭示此类器件的工作原理和提升此类器件的性能提供了新思路。

以往研究往往孤立地关注钙钛矿/FTO或者钙钛矿/spiro-MeOTAD界面，因此此类器件被简单定义为基于钙钛矿/FTO整流界面的肖特基结型器件或者基于钙钛矿/spiro-MeOTAD界面的单p-n异质结型器件。通过对器件伏安特性曲线的拟合分析，助理研究员黄利克发现，当采用未经优化的钙钛矿做吸收层时，无电子传输层器件并非理想的单异质结或者肖特基器件。基于前期研究基础提出通过故意掺杂来精准调控钙钛矿的载流子浓度类型及其前后界面能带结构以构建高效无电子传输层器件的新思路。采用半导体异质结的一般理论和器件模拟计算详细分析了钙钛矿极性的变化对各个界面能带结构和能级对准进而器件性能的影响。基于等效电路模型，采用数值计算指出了钙钛矿薄膜的覆盖率对器件性能的极大影响。引入n型掺杂剂Sb元素后，在保证钙钛矿薄膜高覆盖率的前提下可以连续调节钙钛矿的载流子类型、浓度和传输特性，由此使得掺杂的钙钛矿前后表面同时分别与FTO和spiro-MeOTAD形成高效整流型肖特基和p-n异质结界面。通过这些精细优化，钙钛矿/FTO界面的能带弯曲可以有效收集电子而阻挡空穴，钙钛矿/spiro-MeOTAD界面的能带弯曲则可以有效手机收集空穴而阻挡电子，有效抑制了界面的载流子复合并显著提升了器件的开压和填充因子。该研究为此类器件工作原理和性能优化提供了新的方案和思路。相关结果发表在Solar RRL（DOI: 10.1002/solr.201800274）上。