近年來，新型薄膜太陽能電池，例如有機(jī)/無機(jī)雜化鈣鈦礦器件、有機(jī)光伏器件等，以其低成本、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、柔性攜帶等優(yōu)點(diǎn)，引起了廣泛關(guān)注。對(duì)于薄膜太陽能電池而言，器件能級(jí)排布決定著光生載流子的分離、復(fù)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(diào)控和表征器件能級(jí)排布，是理解器件工作機(jī)理，指導(dǎo)材料篩選和器件工藝優(yōu)化等的重要切入點(diǎn)。

近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)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(jí)排布的調(diào)控和表征兩方面研究中取得新進(jìn)展：

1.在有機(jī)/無機(jī)雜化鈣鈦礦光伏器件中，深入理解材料摻雜、能級(jí)調(diào)控與器件性能的相互聯(lián)系。第一性原理計(jì)算表明，金屬離子的外層電子軌道是有機(jī)/無機(jī)雜化鈣鈦礦能帶結(jié)構(gòu)的重要決定因素，進(jìn)而影響其材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。國內(nèi)外多個(gè)研究小組報(bào)道，少量金屬離子替代Pb2+可以有效提升器件性能，但能級(jí)結(jié)構(gòu)演化與器件性能的相互作用機(jī)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(tài)，使得原本呈n型的鈣鈦礦材料的費(fèi)米能級(jí)向禁帶中央移動(dòng)，呈現(xiàn)本征半導(dǎo)體的性質(zhì)，這樣的變化有效降低鈣鈦礦中的電子濃度，有益于載流子的平衡輸運(yùn)。通過優(yōu)化銀摻雜比例，提高鈣鈦礦材料結(jié)晶性，改善薄膜形貌和載流子動(dòng)力學(xué)。在這些因素協(xié)同促進(jìn)下，反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦平面異質(zhì)結(jié)器件（ITO/Cu:NiOx/perovskite/PCBM/Ag）效率從16.0%提高到18.4%（圖1）。進(jìn)一步地，通過等效電路模型證實(shí)了鈣鈦礦載流子濃度與器件性能的相互作用關(guān)系。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Lett.上。

2.在有機(jī)薄膜光伏器件中，在器件工況下定量表征了反式器件的能級(jí)排布。對(duì)于薄膜太陽能電池層層堆疊這種垂直封閉型結(jié)構(gòu)，目前缺乏有效的手段直觀地測量器件工況下(operando)的能級(jí)結(jié)構(gòu)。陳立桅課題組在Nat. Commun.報(bào)道了橫截面掃描開爾文探針顯微鏡(cross-sectional SKPM)，可以實(shí)現(xiàn)短路、開路、暗態(tài)和光照等器件工況下的能級(jí)結(jié)構(gòu)測量，但能級(jí)排布的定量測量依然懸而未決。進(jìn)一步研究，陳立桅課題組發(fā)現(xiàn)針尖/懸梁臂卷積效應(yīng)是影響器件能級(jí)結(jié)構(gòu)的定量測量的重要因素，在存在界面能級(jí)突變的反型器件中(ITO/ZnO/BHJ/MoOx/Al)卷積效應(yīng)甚至能掩蓋真實(shí)的電勢分布，得出方向錯(cuò)誤的內(nèi)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(zhì)結(jié)校準(zhǔn)針尖傳遞函數(shù)，借助反卷積算法去除針尖平均效應(yīng)，還原出反式器件真實(shí)的能級(jí)排布（圖2）。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Energy上，并在《物理化學(xué)學(xué)報(bào)上》撰寫專論。

研究工作得到了美國華盛頓大學(xué)教授Alex Jen，蘇州納米所研究員陸書龍和馬昌期等的支持。研究工作受到國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中科院科研裝備項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)資助與研發(fā)條件支持。

(a)鈣鈦礦型太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；

(b)不同銀注入比例下的鈣鈦礦能級(jí)圖；

(c)不同銀注入比例下的鈣鈦礦器件電壓-電流效率曲線。

(a)橫截面掃描開爾文探針顯微鏡表征反式結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽能電池能級(jí)排布示意圖；

(b)通過反卷積算法還原器件真實(shí)的電勢分布。