在傳統硅電池制備過程中，p-n結的形成需要在高溫(800 °C-900 °C)下才能進行。在高溫下，通過氣體擴散作用，摻雜離子從表面進入到N-型(P-型)硅內部，形成p-n結。但是，對硅基底進行N-型摻雜的磷化氫(PH3)氣體和P-型摻雜的乙硼烷(B2H6)氣體，都屬于易燃有毒氣體，并帶有腐蝕性，導致電池制備流程比較復雜。導電聚合物(PEDOT:PSS)作為一種水基溶液，可以在室溫下用旋涂法沉積在N-型硅表面上。基于上述優點，導電聚合物(PEDOT:PSS)型雜化硅電池(如圖1)的制備簡易，不涉及易燃有毒氣體的擴散及高溫離子摻雜，可以極大地削減制造成本，為硅電池的發展提供了新的思路。
盡管基于導電聚合物型硅電池的報道有很多，但是對于其核心功能區界面處的電子結構的認知仍然不夠透徹，如硅表面上能帶彎曲幅度的探測。這其中一個原因是導電聚合物層的厚度相對較大(大于30 nm)，遠遠超出了光電子能譜儀(XPS/UPS)所能達到的探測深度(約10 nm/3 nm)，導致被導電聚合物薄層覆蓋的硅基底上產生的光電子無法被檢測到，進而無法提供界面處的電子結構信息。
近日，蘇州大學孫寶全教授和Steffen Duhm教授團隊聯合柏林洪堡大學Norbert Koch教授團隊，首次通過光電子能譜儀(XPS)，直接得到了導電聚合物薄層覆蓋之后硅表面上被誘導產生的能帶彎曲大小，進而證明了N-型硅基底表面上確實有強反型層(P-型層)的出現，與其他文獻報道的結論相吻合，即一個不需要借助外部離子摻雜的P-N結產生于N-型硅表面，實現對電子空穴的有效分離及提取。通過提高旋涂儀的轉速并稀釋導電聚合物原始溶液(PEDOT:PSS)的方式，雙方團隊制備了厚度低至5nm的一系列薄膜，實現了對底部硅基底產生的光電子的收集。硅基底上能帶彎曲大小的獲取過程如下：首先，探測純凈無覆蓋物的N-型硅基底的XPS-Si2p信號，得到芯層能級Si2p3/2峰的結合能，作為參考；然后，探測覆蓋導電聚合物之后的N-型硅基底的XPS-Si2p信號，得到此樣品芯層能級Si2p3/2峰的結合能。對比兩者結合能的差別，即可獲得N-型硅基底上的能帶彎曲大小，進而可以判斷有無強烈反型層形成。雙方團隊還發現，加入有機溶劑DMSO，不僅可以提高薄膜的導電率，還可以提高Si2p峰的偏移量，即意味著被誘導產生的能帶彎曲幅度的提升；降低原溶液的PEDOT含量，將導致能帶彎曲的幅度降低，如圖2所示。
圖3.N-型硅與導電聚合物PEDOT:PSS(PH1000+Triton+DMSO)界面處的能級排布示意圖(左)。不同雜化硅(N-型)電池的器件效率對比圖(右)。
結合XPS還有紫外光電子能譜(UPS)數據,該研究繪制了導電聚合物PEDOT:PSS(PH1000+Triton+DMSO)與N-Si界面處的能級圖，如圖3所示。該研究指出了傳統肖特基結模型并不適用于此雜化電池結構，而且，直接取用硅基底與PEDOT:PSS薄膜功函數的差值當作硅基底能帶彎曲的幅度是一種錯誤的方式。基于相應的器件性能數據及光電子能譜數據，此研究提出了雜化硅電池后續設計及優化過程中要遵循的基本原則：1)覆蓋層需要誘導硅基底產生較大的能帶彎曲，2)覆蓋層要有優良的空穴提取及傳輸效率，3)覆蓋層要提供良好的硅表面鈍化效果，以消減光生電子空穴的復合效率。
這一成果近期發表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是蘇州大學-柏林洪堡大學聯合培養博士生王榮斌。
