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(shè)備的單向電流流動和高壓輸出。在p型/本質(zhì)/n型(p-i-n) PSCs(也稱為反向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。

此外，它作為一個屏障，抑制有害物質(zhì)進入鈣鈦礦吸收器或降解產(chǎn)物的相互擴散。到目前為止，可蒸發(fā)的有機分子和原子層沉積的金屬氧化物已經(jīng)成功，但它們都有特定的缺陷。

在此，來自云南大學的呂正紅&加拿大多倫多大學的Deying Luo和 Henry J. Snaith &山西大學、北京大學的龔旗煌和朱瑞等研究者報告了一種化學穩(wěn)定的多功能緩沖材料，氧化鐿(YbO_x)，用于可擴展熱蒸發(fā)沉積的p-i-n PSCs。相關(guān)論文以題為“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”于2024年01月17日發(fā)表在Nature上。

通過鈍化方法，單結(jié)p型/本質(zhì)/n型(p-i-n)鈣鈦礦太陽能電池PSCs(也稱為倒置PSCs)的功率轉(zhuǎn)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(wěn)定性仍然落后于商業(yè)上可行的太陽能電池板。

雖然在操作條件下導(dǎo)致設(shè)備退化的因素有很多，但在實際操作條件下離子遷移是一個重要的挑戰(zhàn)，因為它在設(shè)備中幾乎無處不在。鈣鈦礦吸收層內(nèi)的電偏壓和光照誘導(dǎo)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(dǎo)致更高的化學非均勻性和增加的非輻射重組中心以及隨后發(fā)生器件降解的初始位置。

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(wěn)定性。長期不穩(wěn)定性的另一個關(guān)鍵問題是金屬擴散到電子選擇層和鈣鈦礦層，這可能導(dǎo)致金屬鹵化物的形成和削弱器件的穩(wěn)定性。

人們試圖在電子選擇層(ESL)和金屬電極之間引入有效的緩沖層，以阻止鈣鈦礦層和金屬層之間的原子和離子運動，是提高整體器件性能的技術(shù)興趣。在這種情況下，緩沖層必須促進電子從緩沖層向金屬電極的定向流動，確保PSCs的有效電子收集。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(zhì)的滲透。到目前為止，最常用的緩沖材料-根堿(BCP)可以在p-i-n PSCs中進行可擴展的熱蒸發(fā)處理。不幸的是，根據(jù)國際有機光伏穩(wěn)定性峰會(ISOS)協(xié)議，BCP在85°C的協(xié)議溫度下存在較差的熱穩(wěn)定性，這可能會限制其長期運行穩(wěn)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。然而，這些氧化物要么是大規(guī)模制造的挑戰(zhàn)，要么需要專用的儀器和昂貴的制造前體，這與經(jīng)濟有效的實際應(yīng)用相矛盾。

氧化鐿(YbO_x)是一種本質(zhì)穩(wěn)定的多功能材料，可以通過可擴展的熱蒸發(fā)方法沉積，是一種令人信服的高效穩(wěn)定的p-i-n PSCs緩沖材料。具有較低吉布斯自由能的鐿(Yb)在O₂中有很強的形成YbO_x的傾向。可以用熱蒸發(fā)處理的YbO_x在商業(yè)應(yīng)用中顯示出很大的前景。

為了了解Yb的氧化，研究者首先在器件制造真空室中，在基壓為10^-4 Pa的條件下，在大型氧化銦錫(ITO)襯底(100 cm²)上熱蒸發(fā)了幾納米的Yb薄膜。來自樣本不同區(qū)域的采樣數(shù)據(jù)顯示相同的YbO_x狀態(tài)。這種與金屬Yb相關(guān)的快速氧化進一步證明了氧化前后拋光Yb金屬表面的顏色變化。

然后，研究者使用原位X射線光電子能譜(XPS)跟蹤氧化過程隨時間的變化，研究了清潔Yb⁰表面的詳細氧化動力學。這些結(jié)果表明，當在10^-4 Pa的真空室中放大時，沉積在大面積ITO襯底上的Yb膜(厚度為幾納米)可以在幾分鐘內(nèi)完全氧化。這些優(yōu)點消除了額外的專用氧化步驟，這通常需要用熱蒸發(fā)處理其他氧化物。

在此，研究者將該YbO_x緩沖層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(zhuǎn)換效率。研究者還證明了YbO_x在從各種類型的鈣鈦礦吸收層中實現(xiàn)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，YbO_x封裝的器件表現(xiàn)出明顯增強的器件穩(wěn)定性。

圖1.?YbO_x薄膜的表征

圖2. 發(fā)射全器件光電子能譜圖

圖3. 光伏性能

圖4.?基于YbO_x的p-i-n PSCs的穩(wěn)定性