近日，我院胡芹特任研究员课题组与合肥光源催化与表面科学线站的科学家合作，在无铅钙钛矿光伏器件研究中取得重要进展。研究团队不仅成功利用光诱导界面掺杂调控策略有效提升了锡基光伏器件的效率和稳定性，还通过设计独特的基于同步辐射X射线光电子能谱技术的原位光照实验装置，深度剖析了光诱导界面掺杂调制的物理机制。光电子能谱原位测试分析表明，光诱导界面掺杂的存在能够改善锡基钙钛矿能带匹配，促进载流子的分离和提取，从而显著提升器件的开路电压。这为锡基钙钛矿光伏器件的进一步发展提供了新的理论基础和技术积累，相关成果以“Boosting Tin Perovskite Solar Cell Performance via Light-Induced Interface Doping”为题，近期发表于国际学术期刊《Nano Letters》上。
在当前全球能源危机和环境污染加剧的情况下，推动低碳绿色能源的发展已经成为国际社会的共同认知。光伏技术不仅是绿色低碳技术创新的重要领域，也是实现国家“碳达峰”和“碳中和”目标的关键策略之一。近年来，钙钛矿半导体材料因为其优异的光电属性引起广泛关注，其以铅基钙钛矿为主体的光伏器件光电转化效率不断接近理论效率，具有广阔的产业化前景。但重金属铅元素的毒性依然限制了其光伏器件的应用场景。
在低毒性环境友好型光伏器件的研究中，锡基钙钛矿凭借其与铅基钙钛矿相似的电子结构和更加理想的光学带隙，成为了当下非铅钙钛矿光伏器件的有力候选者。然而，锡基钙钛矿半导体在实际应用中面临稳定性差、p型自掺杂严重、结晶速率过快以及传输层能级失配等技术瓶颈，致使光伏器件中非辐射复合损失显著，载流子提取困难，制约其光电性能的进一步提升。同时，锡基钙钛矿材料体系本征稳定性不足的特性，使得其表面与界面表征易受环境因素（如水分/氧气）的干扰，导致当前针对器件工况下的表界面物理化学演变研究较为匮乏，相关作用机制尚不明确。
在前期研究中，团队通过设计减缓钙钛矿结晶的分子桥接优化策略，提升了薄膜的结晶质量，抑制了光生载流子的非辐射复合(Small, 2024, 2408302)；通过构筑高质量钙钛矿同质结，增强了光伏器件吸收层的内建电场，促进了光生载流子的分离和提取(Nano Letters, 2024, 24, 5513-5520)，相关研究成果被选为封面论文发表（图1a）。
在充分积累了锡基钙钛矿光伏器件研究经验的基础上，针对该材料体系表界面电子结构的内在演化机制研究匮乏的现状，团队结合合肥光源先进表界面分析技术，设计了原位光照同步辐射光电子能谱表征实验（图1b），利用合作设计的样品转移舱和原位光照同步辐射谱学实验装置，实现了样品不暴露空气的转移及模拟光照条件下的原位谱学测试，成功捕捉到了锡基钙钛矿上表面和与电子传输层界面在光场作用下的物化性质变化，发现了有益于器件能带匹配的光诱导界面掺杂行为，为改善锡基钙钛矿光伏器件的能级失配问题提供了一种新的思路。
图1. （a）同质结非铅钙钛矿构筑发表于Nano Letters封面上；
（b）光照条件下的同步辐射谱学原位实验。
光场作用下的同步辐射光电子能谱变化表明，光可以诱导I离子向电子传输层一侧移动并发生氧化还原反应（图2a），而这一反应过程给予的电子将导致C60电子传输层被显著n掺杂（图2b），从而改善锡基光伏器件原本失配能带结构，促进其载流子提取（图2c）。综上，光诱导界面掺杂调制可以显著提高器件的开路电压并稳定维持在高水平，大幅度增强光伏器件的性能（图2d）。这不仅为改善锡基钙钛矿能带失配提供了新的思路，也为锡基钙钛矿光稳定性研究提供了新的理论支撑。
图2. （a）光场作用下的碘元素的X射线光电子能谱；（b）钙钛矿与电子传输层界面离子移动与掺杂原理图；（c）钙钛矿与电子传输层能带结构图；（d）光伏器件J-V曲线和最大功率点运行稳定性测试曲线。
此项研究工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、中央高校基础科研经费、中国科学技术大学国家同步辐射实验室（合肥光源）联合基金等项目的资助。也得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心、理化科学实验中心、合肥光源的支持。我院胡芹特任研究员、李渝博士和丁红鹤博士为该论文的共同通讯作者，研究生孙沐霖、赵珍珠和徐豪为论文的共同第一作者。合肥光源的朱俊发教授、美国劳伦斯伯克利国家实验室的Thomas P. Russell院士、中国科学技术大学肖正国教授和北京航空航天大学的罗德映教授参与了项目的联合技术攻关。
Nano Letters论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c05327
Nano Letters封面论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00646
Small论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202408302
（中国科学技术大学微电子学院）