對於傳統的半導體材料和裝置來說，控制電摻雜的分佈以建構內部電場是提高載子提取效率的常用方法。因此，電摻雜對於建構高性能元件具有重要意義。

近年來，隨著裝置性能的快速提升，有機-無機雜化鹵化鉛鈣鈦礦材料已成為最有前途的新型半導體材料。

一般認為鹵化鉛鈣鈦礦是雙極型半導體，難以實現電摻雜，且由於其體積大載體由於鈣鈦礦的擴散長度，人們普遍認為內部電場對於載子收集來說不是必需的。另外，測得的鈣鈦礦載子濃度一般在10量級¹³至 10¹⁴公分^-3，這不足以形成用於載流子提取的有效電場。

為了解決上述問題，合作透過各種表徵方法證明了分子遠程摻雜可以控制鹵化鉛鈣鈦礦的電荷類型和濃度薄膜在三維結構表面製備n型低維結構，形成垂直異質結，促進載子收集，使鈣鈦礦疊層太陽能電池效率超過27%。

為了準確測量鈣鈦礦的電特性，本工作製備了基於十字指電極陣列的鈣鈦礦場效電晶體，並採用脈衝柵電壓法進行電學測試，抑制離子遷移引起的遲滯，實現了鈣鈦礦場效應電晶體的精確校正。

未摻雜的薄膜表現出雙極性質，摻雜乙二胺分子的薄膜表現出n型性質，具有電荷密度接近10¹⁶水平，而用芐基銨處理的薄膜表現出 p 型特性。紫外光電子能譜和開爾文探針測試得到的薄膜電位的變化與電摻雜濃度的變化一致，進一步證實了薄膜上的遠程分子電摻雜。

此外，類似結構的二銨離子的摻雜也可以增強表面電位（n型摻雜），並且可以透過改變乙二胺離子的濃度來實現表面電位的連續調節。這些表徵進一步證實二銨離子可以有效地對鈣鈦礦薄膜進行電摻雜。

為了了解分子摻雜機制，研究人員利用第一原理計算研究了乙二胺離子的摻雜結構，發現乙二胺陽離子可以取代Pb+I的兩個相鄰離子，從而形成n型摻雜，而對於兩個離子基於苯乙基銨的維鈣鈦礦，Pb+I空位缺陷的形成能降低，產生p型摻雜。分子摻雜帶來的多重離子取代為薄膜的電摻雜提供了解釋。

基於對鈣鈦礦電子摻雜特性的了解，研究人員進一步製備了n型鈣鈦礦薄膜表面的低維結構透過共興奮劑乙二銨離子和苯乙基銨離子形成異質結，與底層雙極三維結構形成異質結，降低界面電子轉移勢壘，提高載子萃取效率。

透過瞬態吸收光譜和瞬態光電流測量來表徵載流子的傳輸速度，證實表面異質結的形成加速了載子的提取。此外，表面低維結構有效鈍化鈣鈦礦表面，減少界面缺陷。

採用三維到低維度異質接面有效提升了倒置結構寬頻隙鈣鈦礦太陽能電池的電流和電壓，第三方認證效率達19.3%。此外，串聯的效率太陽能電池由寬帶隙和窄帶隙鈣鈦礦組合製備的鈣鈦礦超過27%。此方法也在普通帶隙鈣鈦礦電池中得到驗證，有效提高了裝置效率。

此外，表面異質結的構建加速了載流子的提取，有效地減少了表面電荷的積累，並抑制了裝置中的離子遷移，增強了裝置的穩定性。

研究結果是發表在日記中國家科學評論。

更多資訊：Xianyuan Jiang等人，基於n型低維鈣鈦礦薄膜的表面異質結用於高效鈣鈦礦串聯太陽能電池，國家科學評論（2024）。DOI：10.1093/nsr/nwae055