光伏器件内部的能级排布如何影响器件工作机理，例如光生载流子的分离、输运、复合和收集等基本过程，从而决定器件的能量转换效率是领域里的一个研究热点。但是，目前还没有很好的方法来有效地表征器件的能级排布，特别是在器件工作状态的情况下，就更具有挑战性。
最近，中科院苏州纳米所陈立桅研究员课题组在定量观测薄膜光伏器件能级排布的研究中取得新进展。课题组研究人员以有机光伏器件作为原型器件，借助离子束横切制样的方式获得高质量的器件横截面，随后利用扫描开尔文探针显微镜测量横截面电势分布，此电势分布乘以电子电荷即直接得到器件的真空能级排布。但是由于针尖尺寸和悬梁臂干扰引起的卷积效应会引入系统性误差，使得实测能级差远低于真实的数值。基于此，研究人员首次提出了一种偏压补偿法，利用该方法能准确地定量测量与能级排布有关的器件参数，例如开路电压，内建电势和电极电势差等（图1）。相关研究成果发表在Nature Communications 6:7745 (2015)。
此项研究工作是苏州纳米所薄膜太阳能电池研究的一部分。在苏州纳米科技协同创新中心（教育部2011计划）的部分资助下，苏州纳米所能源纳米技术分中心（主要包括陈立桅研究员、马昌期研究员和陆书龙研究员等课题组）致力于基于有机半导体、无机半导体、有机金属钙钛矿的实用型薄膜太阳能电池的研究，并且联合苏州纳米所印刷电子学研究部和国际实验室进行研发工作。该太阳能电池研究中心于2014年在1.2 cm2的器件面积上报道的5.85 %的能量转换效率，刷新了当时大于1 cm2的有机光伏器件的能量转换效率的记录（如图2a-b），且该器件使用的是摒弃了氧化铟锡（ITO）的透明柔性网格银杂化电极（电极衬底来源于苏州纳格光电技术有限公司）。该团队还着重研究实用型器件制造技术、器件稳定性（图2c）和封装技术等方向。目前重点研究内容是基于钙钛矿和III-V族半导体的高效大面积薄膜太阳能电池。相关前期研究成果已经发表于Nano Energy 10, 259 (2014); Solar Energy Materials & Solar Cells 113, 85 (2013); Solar Energy Materials & Solar Cells, 143, 354 (2015)。
该系列工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金，苏州纳米协同创新中心以及苏州纳米所的经费资助与研发条件支持。
图1.(a)利用扫描开尔文探针显微镜观测薄膜光伏器件横截面的原理图。(b)有机光伏器件横截面扫描电镜图。(c)暗态下有机光伏器件表面电势图。(d)利用偏压补偿法定量测量器件能级排布的原理图。
图2.(a)基于透明柔性网格银杂化电极的大面积有机光伏器件的光学照片和原理图。(b)大面积有机光伏器件的电流-电压曲线。(c)使用不同杂化电极的大面积有机光伏器件在大气中的稳定性测试。
