复旦大学微电子学院杨迎国等在钙钛矿半导体光电器件研究方面取得进展

近10多年来，钙钛矿半导体材料的发现和发展对光电转换及应用产生了明显的积极影响，目前已在晶体管、探测器、传感器、太阳能电池、光通讯、发光显示、激光器等应用领域表现出巨大潜力。其中，钙钛矿太阳能电池以其更加清洁、便于应用、制造成本低和效率高等显著优点，迅速成为国际上科研和产业关注的热点。要实现上述各类器件的产业化应用，亟需进一步解决钙钛矿半导体薄膜的大面积成膜质量难以控制、缺陷态密度高以及器件迟滞效应等一系列核心问题。

鉴于此，复旦大学微电子学院杨迎国等依托复旦大学微电子学院、上海同步辐射光源等大科学平台，率先建立了先进的有机、无机及钙钛矿半导体薄膜和器件制备及先进表征系统，形成了具有同步光源特色的半导体薄膜表界面微结构、形貌分析方法和在线同步辐射原位研究平台，在半导体薄膜结晶调控、结晶动力学过程、表界面工程及工况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.）。

图1

特别是在碳基量子点（CQD）增强SnO2电子迁移率的驱动力及机制方面，杨迎国联合西安交通大学董化、东南大学卢海洲、南京工业大学秦天石&黄维等在《Advanced Energy Materials》（AEM，JCR Q1区，影响因子~27.8）刊发活性SnO2晶面使高效和超可弯曲的正式钙钛矿太阳能电池具有创纪录的功率转换效率的研究成果：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。首次采用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）揭示了一种新型碳量子点掺杂后SnO2晶面的变化；基于同步辐射红外光谱得到了碳量子点修饰的SnO2的相关物化性质及反应机理；基于同步辐射掠入射广角X射线散射（GIWAXS）可以穿透柔性基板以检测钙钛矿层的掩埋区域，发现碳量子点修饰的SnO2显著提高了钙钛矿的结晶度和相纯度等相关机制。如图1示，柔性正式钙钛矿太阳能电池的功率转换效率高达23.57%（22.75%，经认证），这是单结正式柔性钙钛矿太阳能电池的最高值之一。相应的正式柔性模组实现了17.79%的效率，孔径面积约为24cm2。此外，柔性钙钛矿太阳能电池表现出出色的稳定性，在40%的相对湿度和25°C的1个太阳光照射下1200小时后保持约95%的初始效率，并在2500次弯曲循环后保持》90%的初始效率，弯曲半径为6毫米。

图2

针对光电器件大面积制备、工作机理等研究方面，杨迎国联合上海光源团队等在《Solar RRL》（JCR Q1区，影响因子~7.9）报道了基于FAPbI3的钙钛矿太阳能电池（PSC），通过MXene（Ti3C2）改性TiO2实现了高达24.63%的光电转换效率。首次采用同步辐射掠入射广角X射线散射技术大规模探测了完整的光电器件的结构和性能均一性及机制，为表征大尺寸高效、稳定、可靠的光电器件模组提供了新的可能。这一工作入选该期刊7月份第1期期刊前封面（图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辐射先进表征技术，特别是掠入射广角X射线衍射、散射、吸收、CT成像技术，可实现快速、精准、无损的原位探测半导体器件表面、埋底界面处的结构和缺陷空间分布等，将对各类半导体功能器件、集成电路等的界面结构与关键工艺的基础研究具有重要推动作用。

相关工作得到了国家自然基金委、科技部重点研发计划、上海市科委项目、复旦大学引进人才项目等的资助和支持。复旦大学微电子学院实验平台、上海同步辐射光源相关线站、国家蛋白质科学研究（上海）设施以及上海光源用户实验辅助系统等为上述工作的实验、表征等提供了条件和技术支持。