Para los materiales y dispositivos semiconductores tradicionales, controlar la distribución del dopaje eléctrico para crear un campo eléctrico interno es un método común para mejorar la eficiencia de extracción de portadores.Por lo tanto, el dopaje eléctrico es de gran importancia para la construcción de dispositivos de alto rendimiento.

En los últimos años, con la rápida mejora del rendimiento del dispositivo, el haluro de plomo híbrido orgánico-inorgánicomateriales de perovskitase han convertido en el nuevo tipo de materiales semiconductores más prometedor.

En general, se cree que la perovskita de haluro de plomo es un semiconductor bipolar, lo que dificulta el dopaje eléctrico y, debido a la grantransportadorlongitud de difusión de las perovskitas, también se cree generalmente que no es necesario un campo eléctrico interno para la recolección del portador.Además, la concentración medida de portadores de perovskitas es generalmente del orden de 10¹³a 10¹⁴centímetro^-3, que no es suficiente para formar un campo eléctrico eficaz para la extracción de portadores.

Para abordar los problemas anteriores, una colaboración ha demostrado a través de varios métodos de caracterización que el dopaje molecular remoto puede controlar el tipo de carga y la concentración de perovskita de haluro de plomo.películas delgadasy preparar estructuras de baja dimensión de tipo n en la superficie de estructuras tridimensionales para formar heterouniones verticales para promover la recolección de portadores, lo que lleva a eficiencias de células solares de pila de perovskita superiores al 27%.

Para medir con precisión las características eléctricas de la perovskita, este trabajo preparó un transistor de efecto de campo de perovskita basado en una matriz de electrodos de dedos cruzados y realizó pruebas eléctricas utilizando el método de voltaje de puerta de pulso para suprimir la histéresis causada por la migración de iones, logrando una calibración precisa dela concentración de dopaje de perovskita de haluro de plomo.

Las películas sin dopar exhiben propiedades bipolares, las películas dopadas con moléculas de etileno diamonio exhiben propiedades de tipo n, con unadensidad de cargacerca del 10¹⁶nivel, mientras que las películas tratadas con bencilamonio exhiben propiedades de tipo p.Los cambios en el potencial de la película obtenidos mediante espectroscopía de fotoelectrones UV y pruebas con sonda Kelvin son consistentes con cambios en la concentración de dopaje eléctrico, lo que confirma aún más el dopaje eléctrico molecular remoto en la película.

Además, el dopaje con iones de diamonio con estructuras similares también puede mejorar el potencial de superficie (dopaje n), y se puede lograr una regulación continua del potencial de superficie cambiando la concentración de iones de etilendiamina.Estas caracterizaciones confirman además que los iones de diamonio pueden dopar eléctricamente de manera efectiva películas de perovskita.

Para comprender el mecanismo de dopaje molecular, los investigadores utilizaron cálculos de primeros principios para investigar la estructura de dopaje del ion etilendiamina, revelando que el catión etilendiamonio puede reemplazar dos iones vecinos de Pb+I, lo que lleva a un dopaje de tipo n, mientras que para los dos-perovskita dimensional basada en fenetilamonio, la energía de formación de los defectos de vacancia de Pb+I se reduce, lo que resulta en un dopaje de tipo p.Las múltiples sustituciones iónicas provocadas por el dopaje molecular proporcionan una explicación para el dopaje eléctrico de películas delgadas.

Basándose en la comprensión de las características de dopaje electrónico de la perovskita, los investigadores prepararon mástipo nestructuras de bajas dimensiones en la superficie de una película de perovskita a través del co-dopajede iones de etilendiamonio e iones de fenetilamonio, formando una heterounión con la estructura tridimensional bipolar subyacente, reduciendo la barrera de transferencia de electrones de la interfaz y mejorando la eficiencia de extracción del portador.

La velocidad de transferencia de los portadores se caracterizó mediante espectroscopia de absorción transitoria y mediciones de fotocorriente transitoria, lo que confirma que la formación de heterouniones superficiales acelera la extracción de los portadores.Además, la estructura superficial de baja dimensión pasiva eficazmente la superficie de la perovskita, reduciendo los defectos de la interfaz.

El uso de heterouniones tridimensionales a de baja dimensión mejora eficazmente la corriente y el voltaje de las células solares de perovskita de banda prohibida de estructura invertida, logrando una eficiencia de certificación de terceros del 19,3 %.Además, la eficiencia del tándemcélulas solarespreparado por la combinación de perovskitas de banda prohibida ancha y de banda prohibida estrecha supera el 27%.Este método también se ha verificado en células de perovskita de banda prohibida normales, lo que mejora eficazmente la eficiencia del dispositivo.

Además, la construcción de heterouniones superficiales acelera la extracción de portadores, lo que reduce efectivamente la acumulación de cargas superficiales, suprime la migración de iones en los dispositivos y mejora la estabilidad del dispositivo.

Los hallazgos sonpublicadoen el diarioRevista Nacional de Ciencias.

Más información:Xianyuan Jiang et al, Heterounión superficial basada en una película de perovskita de baja dimensión de tipo n para células solares en tándem de perovskita altamente eficientes,Revista Nacional de Ciencias(2024).DOI: 10.1093/nsr/nwae055