北京大学合作最新Nature

　　钙钛矿太阳能电池(PSCs)由一个固体钙钛矿吸收体夹在几层不同的电荷选择材料之间，确保设备的单向电流流动和高压输出在p型/intrinsic/n型(p-i-n) PSCs(也称为倒置PSCs)中，电子选择层和金属电极之间的“缓冲材料”使电子从电子选择层流向电极。到目前为止，可蒸发的有机分子和原子层沉积的金属氧化物已经取得了成功，但它们都有特定的缺陷。

　　2024年1月17日，北京大学龚旗煌、朱瑞、英国牛津大学Henry J. Snaith、云南大学吕正红、加拿大多伦多大学罗德映共同通讯在Nature 在线发表题为“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”的研究论文，该研究报告了一种化学稳定的多功能缓冲材料，氧化镱(YbOx)，用于可扩展热蒸发沉积的p-i-n PSCs。

　　通过钝化方法，p-i-n钙钛矿太阳能电池PSCs(也称为倒置PSCs)的功率转换效率(PCE)已超过25%。然而，已公布的p-i-n PSCs在严格测试条件下的运行稳定性仍然落后于商业上可行的太阳能电池板。虽然多种因素导致了设备在运行条件下的退化，但在实际运行条件下的离子迁移是一个重要的挑战，因为它在设备中几乎无处不在。钙钛矿吸收层内的电偏压和光照诱导的离子迁移可以在纳米尺度和微观尺度上改变化学成分，导致更高的化学非均质性和增加的非辐射重组中心以及随后发生器件降解的初始位点。此外，这些来自钙钛矿吸收体的移动离子可以扩散到电荷选择层中，并可能在金属电极界面积聚。积累的离子会腐蚀金属电极，破坏金属电极的完整性，降低器件的稳定性。长期不稳定性的另一个关键问题是金属扩散到电子选择层和钙钛矿层，这可能导致金属卤化物的形成和削弱器件的稳定性。

　　沉积缓冲层的方法必须与底层材料相容，如(6,6)-苯基C61丁酸甲酯和巴克敏斯特富勒烯(C60)。此外，理想的缓冲层可以有效地防止空气中的O2和水分等外部有害物质的渗透。到目前为止，最常用的缓冲材料—巴索林(BCP)可以进行可扩展的加工p-i-n PSC的热蒸发。遗憾的是，根据国际有机光伏稳定性峰会(ISOS)协议，BCP在85°C的协议温度下存在较差的热稳定性，这可能会限制长期运行稳定性。低功功能氧化物，包括氧化锌(ZnO)纳米粒子、致密氧化锡(SnO2)层和铝掺杂氧化锌纳米粒子，也被用作p-i-n PSCs的缓冲材料，以取代BCP或形成双层缓冲剂。然而，这些氧化物要么是大规模制造的挑战，要么需要专用的仪器和昂贵的制造前体，这与经济有效的实际应用相矛盾。氧化镱(YbOx)是一种本质稳定的多功能材料，可以通过可扩展的热蒸发方法沉积，是一种令人信服的高效稳定的p-i-n PSCs缓冲材料。

YbOx薄膜的表征（图源自Nature ）

　　该研究将该YbOx缓冲器用于具有窄带隙钙钛矿吸收体的p-i-n PSCs中，获得了超过25%的认证功率转换效率。还证明了YbOx在从各种类型的钙钛矿吸收层中实现高效PSCs方面的广泛适用性，宽带隙钙钛矿吸收层和中带隙钙钛矿吸收层的效率分别为20.1%和22.1%。此外，当受到ISOS-L-3加速老化时，YbOx封装的器件表现出明显增强的器件稳定性。