復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院楊迎國等在鈣鈦礦半導(dǎo)體光電器件研究方面取得進(jìn)展

近10多年來，鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展對(duì)光電轉(zhuǎn)換及應(yīng)用產(chǎn)生了明顯的積極影響，目前已在晶體管、探測(cè)器、傳感器、太陽能電池、光通訊、發(fā)光顯示、激光器等應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力。其中，鈣鈦礦太陽能電池以其更加清潔、便于應(yīng)用、制造成本低和效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，迅速成為國際上科研和產(chǎn)業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)上述各類器件的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，亟需進(jìn)一步解決鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜的大面積成膜質(zhì)量難以控制、缺陷態(tài)密度高以及器件遲滯效應(yīng)等一系列核心問題。

鑒于此，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院楊迎國等依托復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院、上海同步輻射光源等大科學(xué)平臺(tái)，率先建立了先進(jìn)的有機(jī)、無機(jī)及鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜和器件制備及先進(jìn)表征系統(tǒng)，形成了具有同步光源特色的半導(dǎo)體薄膜表界面微結(jié)構(gòu)、形貌分析方法和在線同步輻射原位研究平臺(tái)，在半導(dǎo)體薄膜結(jié)晶調(diào)控、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過程、表界面工程及工況等研究方面取得了系列特色成果：Adv. Energy Mater. 2023， DOI： 10.1002/aenm.202300661; Adv. Energy Mater. 2023， 2300168; Angew. Chem. Int. Ed. 2023， 62， e202217173; Sol. RRL， 2023， 7： 2201032; Sol. RRL 2023， 7， 2300153; J. Mater. Chem. A， 2023， 11， 5015-5026 （Cover）; Organic Electronics， 2023， 113， 106707，1566; Nature ， 2022， 612（7941）： 679-684; etc.）。

圖1

特別是在碳基量子點(diǎn)（CQD）增強(qiáng)SnO2電子遷移率的驅(qū)動(dòng)力及機(jī)制方面，楊迎國聯(lián)合西安交通大學(xué)董化、東南大學(xué)盧海洲、南京工業(yè)大學(xué)秦天石&黃維等在《Advanced Energy Materials》（AEM，JCR Q1區(qū)，影響因子~27.8）刊發(fā)活性SnO2晶面使高效和超可彎曲的正式鈣鈦礦太陽能電池具有創(chuàng)紀(jì)錄的功率轉(zhuǎn)換效率的研究成果：Active SnO2 Crystal Planes Enable Efficient and Ultra-Bendable n-i-p Perovskite Solar Cells with Record Certificated Power Conversion Efficiency，DOI：https://doi.org/10.1002/aenm.202300661。首次采用高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）揭示了一種新型碳量子點(diǎn)摻雜后SnO2晶面的變化；基于同步輻射紅外光譜得到了碳量子點(diǎn)修飾的SnO2的相關(guān)物化性質(zhì)及反應(yīng)機(jī)理；基于同步輻射掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）可以穿透柔性基板以檢測(cè)鈣鈦礦層的掩埋區(qū)域，發(fā)現(xiàn)碳量子點(diǎn)修飾的SnO2顯著提高了鈣鈦礦的結(jié)晶度和相純度等相關(guān)機(jī)制。如圖1示，柔性正式鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)23.57%（22.75%，經(jīng)認(rèn)證），這是單結(jié)正式柔性鈣鈦礦太陽能電池的最高值之一。相應(yīng)的正式柔性模組實(shí)現(xiàn)了17.79%的效率，孔徑面積約為24cm2。此外，柔性鈣鈦礦太陽能電池表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性，在40%的相對(duì)濕度和25°C的1個(gè)太陽光照射下1200小時(shí)后保持約95%的初始效率，并在2500次彎曲循環(huán)后保持》90%的初始效率，彎曲半徑為6毫米。

圖2

針對(duì)光電器件大面積制備、工作機(jī)理等研究方面，楊迎國聯(lián)合上海光源團(tuán)隊(duì)等在《Solar RRL》（JCR Q1區(qū)，影響因子~7.9）報(bào)道了基于FAPbI3的鈣鈦礦太陽能電池（PSC），通過MXene（Ti3C2）改性TiO2實(shí)現(xiàn)了高達(dá)24.63%的光電轉(zhuǎn)換效率。首次采用同步輻射掠入射廣角X射線散射技術(shù)大規(guī)模探測(cè)了完整的光電器件的結(jié)構(gòu)和性能均一性及機(jī)制，為表征大尺寸高效、穩(wěn)定、可靠的光電器件模組提供了新的可能。這一工作入選該期刊7月份第1期期刊前封面（圖2：Ti3C2 MXene Nanosheets–Modified TiO2 Electron-Transport Layers Enables Efficient Solar Cells with Outstanding Device Consistency，DOI：https://doi.org/10.1002/solr.202300153。

文章中所使用的同步輻射先進(jìn)表征技術(shù)，特別是掠入射廣角X射線衍射、散射、吸收、CT成像技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)、無損的原位探測(cè)半導(dǎo)體器件表面、埋底界面處的結(jié)構(gòu)和缺陷空間分布等，將對(duì)各類半導(dǎo)體功能器件、集成電路等的界面結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵工藝的基礎(chǔ)研究具有重要推動(dòng)作用。

相關(guān)工作得到了國家自然基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市科委項(xiàng)目、復(fù)旦大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目等的資助和支持。復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、上海同步輻射光源相關(guān)線站、國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施以及上海光源用戶實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)等為上述工作的實(shí)驗(yàn)、表征等提供了條件和技術(shù)支持。