北京大學合作最新Nature

　　鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)由一個固體鈣鈦礦吸收體夾在幾層不同的電荷選擇材料之間，確保設備的單向電流流動和高壓輸出在p型/intrinsic/n型(p-i-n) PSCs(也稱為倒置PSCs)中，電子選擇層和金屬電極之間的“緩沖材料”使電子從電子選擇層流向電極。到目前為止，可蒸發的有機分子和原子層沉積的金屬氧化物已經取得了成功，但它們都有特定的缺陷。

　　2024年1月17日，北京大學龔旗煌、朱瑞、英國牛津大學Henry J. Snaith、云南大學呂正紅、加拿大多倫多大學羅德映共同通訊在Nature 在線發表題為“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”的研究論文，該研究報告了一種化學穩定的多功能緩沖材料，氧化鐿(YbOx)，用于可擴展熱蒸發沉積的p-i-n PSCs。

　　通過鈍化方法，p-i-n鈣鈦礦太陽能電池PSCs(也稱為倒置PSCs)的功率轉換效率(PCE)已超過25%。然而，已公布的p-i-n PSCs在嚴格測試條件下的運行穩定性仍然落后于商業上可行的太陽能電池板。雖然多種因素導致了設備在運行條件下的退化，但在實際運行條件下的離子遷移是一個重要的挑戰，因為它在設備中幾乎無處不在。鈣鈦礦吸收層內的電偏壓和光照誘導的離子遷移可以在納米尺度和微觀尺度上改變化學成分，導致更高的化學非均質性和增加的非輻射重組中心以及隨后發生器件降解的初始位點。此外，這些來自鈣鈦礦吸收體的移動離子可以擴散到電荷選擇層中，并可能在金屬電極界面積聚。積累的離子會腐蝕金屬電極，破壞金屬電極的完整性，降低器件的穩定性。長期不穩定性的另一個關鍵問題是金屬擴散到電子選擇層和鈣鈦礦層，這可能導致金屬鹵化物的形成和削弱器件的穩定性。

　　沉積緩沖層的方法必須與底層材料相容，如(6,6)-苯基C61丁酸甲酯和巴克敏斯特富勒烯(C60)。此外，理想的緩沖層可以有效地防止空氣中的O2和水分等外部有害物質的滲透。到目前為止，最常用的緩沖材料—巴索林(BCP)可以進行可擴展的加工p-i-n PSC的熱蒸發。遺憾的是，根據國際有機光伏穩定性峰會(ISOS)協議，BCP在85°C的協議溫度下存在較差的熱穩定性，這可能會限制長期運行穩定性。低功功能氧化物，包括氧化鋅(ZnO)納米粒子、致密氧化錫(SnO2)層和鋁摻雜氧化鋅納米粒子，也被用作p-i-n PSCs的緩沖材料，以取代BCP或形成雙層緩沖劑。然而，這些氧化物要么是大規模制造的挑戰，要么需要專用的儀器和昂貴的制造前體，這與經濟有效的實際應用相矛盾。氧化鐿(YbOx)是一種本質穩定的多功能材料，可以通過可擴展的熱蒸發方法沉積，是一種令人信服的高效穩定的p-i-n PSCs緩沖材料。

YbOx薄膜的表征（圖源自Nature ）

　　該研究將該YbOx緩沖器用于具有窄帶隙鈣鈦礦吸收體的p-i-n PSCs中，獲得了超過25%的認證功率轉換效率。還證明了YbOx在從各種類型的鈣鈦礦吸收層中實現高效PSCs方面的廣泛適用性，寬帶隙鈣鈦礦吸收層和中帶隙鈣鈦礦吸收層的效率分別為20.1%和22.1%。此外，當受到ISOS-L-3加速老化時，YbOx封裝的器件表現出明顯增強的器件穩定性。