新型原位光电电子显微学技术构建太阳能电池结构

　　近日，东南大学电子科学与工程学院孙立涛教授团队在原位光电器件研究方面取得重要进展，其研究成果以“'In situ interface engineering for probing the limit of quantum dot photovoltaic devices”为题在最新一期Nature子刊《Nature Nanotechnology》（影响因子33.4）上在线发表。该项成果以东南大学为第一完成单位，博士生董辉、青年教师徐峰为共同第一作者，孙立涛教授为责任通讯作者。

图1（a）透射电子显微镜中原位构建量子点异质结太阳能电池结构示意图；（b）单根纳米线/量子点异质结电池的TEM图像及（c）局部原子尺度高分辨TEM像和（d）有光及无光下的光电流响应（pA量级）。

　　能源是满足人类社会基本需求和可持续发展的重要物质保障，因化石能源的不可再生性和全球对温室效应的关注，太阳能的有效利用正成为越来越多国家的首要选择。量子点太阳能电池具有制备成本低廉、带隙可调、理论转换效率高等诸多优点，在太阳能转换领域有着巨大的应用潜力。然而目前光电转换效率仍远远低于理论转换效率。如何在微观尺度下探究效率低的根本原因并为设计高转换效率太阳能电池提供指导？这一问题向现代研究方法提出了理论和技术的挑战。

　　针对以上问题，孙立涛教授团队自主发展了一种新型的原位光电-电子显微学技术，基于此构建了目前世界上最小尺度的量子点异质结太阳能电池结构（仅包含单根纳米线、量子点和电极，如图1a 和 1b所示），在光场作用下可同时实现材料结构的原子尺度表征（如图1c所示）和器件中皮安精度光电流的原位测量（如图1d所示）。通过原位调控光电子可能发生复合的界面大小，大大改善了电池的转化效率，揭示了界面工程对太阳能电池转化效率提升的重要作用。该研究成果有助于更好地理解量子点异质结太阳能电池高转换效率的内在机制，促进高转化效率太阳能电池及相关光电器件的研究与优化设计。同时，该成果也为直接研究纳米尺度的器件提供了最佳实验条件，推动原位器件电子显微学的快速发展。

　　以上工作得益于学校长期对基础前沿研究和国际学术交流的大力支持与重视，是东南大学电子学科与材料、物理、化学等多学科交叉与融合的结果。该项目的合作者浙江大学张泽院士、加州大学洛杉矶分校段镶锋教授为共同通讯作者，澳大利亚昆士兰科技大学孙子其教授为共同第一作者。该项目历时7年多，得到了国家重大科研仪器设备研制专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金委等项目的共同资助。

　　孙立涛教授课题组近年来自主发展了多种原位透射电子显微学技术，已经在亚10nm材料表面效应、原子尺度制造和微纳器件等研究领域取得了一系列创新成果。至今，孙立涛教授已累计在Science、Nature及Nature子刊发表文章16篇。