从某种程度上说，半导体工业是建立在p型（富空穴）和n型（富电子）材料之间的结上。控制半导体中的电子和空穴浓度，是一项长期的挑战。

通过对生长环境中缺陷浓度的调控，可以改变电荷载流子的浓度，以优化半导体的载流子迁移率和电阻率。载流子的浓度可以通过多种方式进行管理，包括离子注入和掺杂剂的固态扩散。

然而，对于钙钛矿，这些策略似乎一直很难奏效。

2019年，华北电力大学李美成教授课题组首次提出并构建了钙钛矿p-n同质结结构，通过自掺杂的方法实现了钙钛矿材料载流子浓度和分布的精确调控。通过精准调控缺陷，构建了一种p-n同质结太阳能电池，为金属卤化物钙钛矿器件开辟了一条新途径。然而，最近，有人对这项研究成果的部分机理解释提出了不同的意见。

缘起

2019年2月4日，华北电力大学李美成教授课题组在Nature Energy上首次提出并构建了钙钛矿p-n同质结结构，通过自掺杂的方法实现了钙钛矿材料载流子浓度和分布的精确调控。研究表明，同质结结构可以有效降低载流子复合损失，将其应用于平面钙钛矿太阳能电池中，基于MAPbI₃的同质结钙钛矿太阳能电池认证效率超过20%，基于FA_0.15MA_0.85PbI₃的器件效率高达21.38%。

研究指出，同质结结构是超越现有平面异质结PSC的有效方法，其内置电场促进了光诱导载流子的定向传输，从而减少了载流子复合损失。

研究人员通过控制钙钛矿前体的化学计量，可以诱导n型或p型掺杂。再利用组合沉积处理方法制造钙钛矿p-n同质结结构，然后在溶液处理的n型钙钛矿层上结合热蒸发的p型钙钛矿层，将其集成到平面PSC中。通过横截面KPFM发现，同质结中的内置电场诱导光诱导载体的定向传输，从而减少载体重组损失，wxAMPs模拟进一步证实。

图1. 钙钛矿p-n同质结结构和制备过程

具有MAPbI₃（MA，甲基铵）p-n同质结的PSC表现出20.80％的PCE（20.5％认证的PCE），而基于FA_0.15MA_0.85PbI₃（FA，甲脒）p-n同质结的PSC实现了21.38％的PCE。

盛赞

在文章发表的同一天，帝国理工学院Aron Walsh等人同期在Nature Energy发表述评，对这项研究成果予以高度肯定。

文章指出，这项研究为钙钛矿太阳能电池适应依赖于同质结的现有成熟技术的设备配置开辟了道路。另外，这些成果对卤化钙钛矿半导体中载流子浓度和分布的精准控制，对太阳能电池以外的其他领域也产生了广泛的影响，包括在发光（高电流状态）和神经形态计算（低电流状态）中的新兴应用。

卤化铅钙钛矿克服其缺陷的时机已经到来！

争鸣

2020年10月26日，德国杜伊斯堡埃森大学Thomas Kirchartz等对此p-n结的形成提出了三个疑问：

1）报道的掺杂密度是否足够高，可以改变未掺杂器件的静电势分布？

2）在钙钛矿器件工作过程中，掺杂密度是否足够高，可以保持p-n结的完整？

3）p-n结的存在是否真的有利于光伏性能？

Thomas Kirchartz等人从半导体物理学以及自己的认知角度展开深入分析，他们认为，p-n结的掺杂密度要确保足够的耗尽区宽度，在以上研究中提到的钙钛矿太阳能电池中不存在功能性的p-n结，器件效率得到提升可能另有原因。

同时，他们也承认，钙钛矿现在还处于有好多问题没有弄明白的阶段，他们只是从科学的角度提出不同意见。

图2. 掺杂对卤化物钙钛矿太阳能电池能级图的影响

结语

科学从来没有一蹴而就。在科学探索的道路上，我们会有很多新奇的发现，也往往会被迷雾遮盖真相。

但是，这都不要紧。

每一次对于科学争议的讨论，都是为了更好地促进科学的发展，让我们更加接近科学本来的样子。

参考文献：

1. Peng Cui et al. Planar p–n homojunction perovskite solar cells with efficiency exceeding 21.3%. Nature Energy 2019, 4, 150–159.

https://www.nature.com/articles/s41560-018-0324-8

2. Ji-Sang Park et al. Embrace your defects. Nature Energy 2019, 4, 95-96.

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0329-y

3. Thomas Kirchartz et al. Minimum doping densities for p–n junctions. Nature Energy 2020.

https://www.nature.com/articles/s41560-020-00708-2