近日，北京大学朱瑞研究员、龚旗煌院士团队联手云南大学物理与天文学院研究团队在会发光的太阳能电池研究上取得进展，相关研究成果发表在国际知名期刊Advanced Materials（IF=32.08）、Communications Materials（自然系列新刊）上。

一个性能优异的太阳能电池同样可以是一个好的发光二极管（LED），因为光生电/电生光都可归结为电子跃迁/复合的过程，理论上所有太阳能电池都是发光二极管。然而晶硅、有机半导体、量子点、胶体纳米晶体由于带隙特征和载流子迁移率等问题，无法兼顾高效的光电转换效率和量子产率。因此，开发可用太阳能电池和LED一体化器件的新材料对光伏－照明行业具有强大的吸引力。

试想一块光电器件可以作为太阳能电池在白天吸收光能，在夜晚变为LED发光照明，这种简易的多功能器件在低碳节能建筑、边远山区、旅游景点等多场景有广泛的潜在应用。北京大学物理学院人工微结构与介观物理国家重点实验室团队通过对钙钛矿吸收层上下表面的精细化修饰，研制出具有太阳能电池和发光二极管双重作用的高效光电器件。该器件作为太阳能电池，其光电转换效率达到23.0%；作为发光二极管可在超低压下有效运行，其峰值外部量子效率为3.3%。

图1.云南大学设计费勉仪器科技生产的真空互联－原位光电子能谱测试系统

云南大学有机光电子器件研究团队利用最新搭建的真空互联－原位光电子能谱测量系统，对该器件的表面/界面进行了剖析研究，解密了实现太阳能电池和LED一体化器件的关键。通过团簇离子溅射对修饰过的钙钛矿膜层无损剥离，发现上表面的修饰剂渗入钙钛矿吸收层数十纳米，在钝化钙钛矿表面的同时，还能对近表面数十纳米的晶界有效钝化；钙钛矿上下表面带隙增大，能减少载流子在界面处的非辐射复合；另外还观察到电子传输层/钝化剂/钙钛矿吸收层在真实器件中形成了混合界面，混合界面的能级结构可以无势垒的收集电子。最终，构筑了发光太阳能电池中钙钛矿上下界面清晰的化学和电子结构景观图像，并解密了通过精细化修饰使得钙钛矿致密化并增大了其上下表面带隙是实现这一多功能器件的关键。

图2. 团簇离子溅射－光电子能谱测试示意图

稳定性是钙钛矿太阳能电池商业化的最大阻碍。到目前为止，还没有足够的证据将器件的稳定性和叠层组分联系起来。云南大学科研人员还利用团簇离子溅射－原位光电子能谱技术追踪了上述发光太阳能电池在有无外加电场下，光吸收层直至电极之间的化学反应、物质分布、电子结构的演化。

图3. 有无电场偏置后 Pb，I在电子传输层的分布及示意图

实验发现：痕量化学物质（如I2和PbI2）分布在整个有机传输层，并直至电极界面。这些物质是电荷中性的，它们在传输层中的分布对钙钛矿/电荷传输层的费米能级、能级排布没有影响，并且这些物质几乎不会侵蚀Cu电极。然而，电场会加剧钙钛矿的分解，造成化学物质的不均匀性和器件性能的退化。这些发现为钙钛矿电池在电场力作用下的稳定性提供了明确的数据，为研究人员开发更稳定可靠的功能材料和器件提供指导。

图4. 深度剖析的UPS图谱（a-c），电子传输层能级结构（d-f），Cu电极表面化学信息（g-i）

以上研究工作先后发表在国际知名期刊“Advanced Materials（doi：10.1002/adma.202208178）”和 “Communications materials（doi：10.1038/s43246-022-00262-2）”上。云南大学博士生胡俊涛为论文的共同第一作者，北京大学朱瑞研究员、多伦多大学罗德映博士、云南大学吕正红院士为共同通讯作者，参加研究工作的还有多伦多大学Edward H. Sargent教授。研究项目得到国家光电子与能源材料国际联合研究中心、云南省高等学校光电子器件工程重点实验室、云南大学“双一流”学科建设经费，以及北京市自然科学基金、国家重点研发计划项目、中国博士后科学基金、科研成果基金的资助。

供稿：物理与天文学院

编辑：张寿娟

责任编辑：李哲