Solar RRL:各向异性低维材料有效多数载流子迁移率的无损原位测试技术

半导体光电子技术是现代可再生能源、光电探测、电光显示、电子计算和存储等多个交叉领域的核心。这些技术的进一步发展依赖于在纳米级甚至原子级微观尺度上对半导体光电子相互转化和输运行为更为精确的控制。为满足这一需求,零维量子点材料,一维链状材料,二维原子层材料等低维半导体材料应运而生,并且以其新奇优异的光电性能逐渐在各个光电应用领域大放异彩。由于结构上的强各向异性特性,这些低维半导体材料的载流子传输行为被限制在特定的结构维度上。因此多晶低维材料和器件的有效载流子传输性能往往受限于晶体之间的结构排布以及晶体内部的结构缺陷浓度。而有效载流子迁移率就成为了衡量多晶低维材料和器件性能的重要指标,对于材料和器件结构设计和优化具有举足轻重的作用。遗憾的是,传统的载流子迁移率测试方法霍尔效应由于其依赖固定的水平测试方向和绝缘衬底,无法真实反映低维材料器件在实际工作中垂直于器件方向的有效载流子传输性能。因此,如何获得多晶低维材料和器件在实际工作中的有效载流子迁移率成为了该领域的一个重要问题。

针对该问题,澳大利亚新南威尔士大学李建军博士、郝晓静教授等人与华中科技大学唐江教授课题组和中国科技大学陈涛教授课题组合作开发了一种基于缺陷解析的各向异性低维材料的有效多数载流子迁移率无损原位测试技术,成功应用在强各向异性硒化锑和硫化锑一维材料多晶薄膜器件上。该方法有机结合了已经较为成熟的导纳谱(AS)测试技术和驱动幅电容深度剖析(DLCP)技术, 通过这两种器件测试技术得到器件实际工作方向的体相电导率,缺陷浓度,缺陷能级,以及有这些缺陷电离得到的自由载流子浓度,从而得到与器件实际工作方向一致的原位有效载流子迁移率。这一测试技术成功应用到了强各向异性的硒化锑(Sb2Se3)和硫化锑(Sb2S3)薄膜太阳电池上,并揭示出硒化锑(Sb2Se3)太阳电池在载流子传输方面目前主要问题在于缺少浅能级缺陷和过低的载流子浓度,而硫化锑(Sb2S3)薄膜过低的有效载流子迁移率问题在于较大的空穴和电子有效质量。另外,高分辨透射电镜分析表明,硒化锑和硫化锑晶粒中均存在大量的位错等晶体缺陷,很可能是除了晶粒取向外另一个限制有效载流子迁移率的重要因素。通过对硒化锑和硫化锑器件光生载流子收集能力的测试和分析,研究者认为硒化锑和硫化锑太阳电池过低的有效载流子迁移率严重的限制了其光电转换效率,并提出完全耗尽型P-I-N器件结构是当前解决该问题的有效策略之一。

研究者相信,该研究将会为多晶各向异性材料器件的有效载流子输运提供一种全新的无损原位测试方法,并为进一步提高硒硫化锑等低维材料和器件性能提供新的思路。相关论文在线发表在Advanced Materials 子刊Solar RRL (DOI:10.1002/solr.202000693)上。