背景
隨著太陽能電池技術(shù)的快速發(fā)展，提高光伏轉(zhuǎn)換效率和確保設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定性成為關(guān)鍵研究方向。單結(jié)構(gòu)p型/本征/n型（p-i-n）鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在通過提高光伏轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25%以上的同時(shí)，其在實(shí)際運(yùn)行條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍然面臨挑戰(zhàn)。前期研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際運(yùn)行中，離子遷移導(dǎo)致的鈣鈦礦吸收層的化學(xué)成分變化可能引起微觀和納米尺度上的高度化學(xué)異質(zhì)性，從而導(dǎo)致非輻射性復(fù)合中心的增加，成為器件退化的初始點(diǎn)。此外，移動(dòng)的離子還可能擴(kuò)散到電荷選擇性層并在金屬電極界面積累，引起電極腐蝕，損害金屬電極的完整性，從而降低器件的穩(wěn)定性。為了解決這一問題，科學(xué)家們提出了在電子選擇性層（ESL）和金屬電極之間引入有效緩沖層的策略，以阻止鈣鈦礦層和金屬層之間的原子和離子運(yùn)動(dòng)。然而，現(xiàn)有的緩沖層材料如硫代酮基鹵代銅（BCP）存在熱穩(wěn)定性差、成本較高等問題。因此，科學(xué)家們迫切需要一種熱穩(wěn)定性好、成本低廉且適用于大規(guī)模制備的新型緩沖材料。有鑒于此，北京大學(xué)朱瑞研究員、龔旗煌院士、牛津大學(xué)Henry J. Snaith教授、云南大學(xué)呂正紅教授、加拿大多倫多大學(xué)羅德映教授等攜手于Nature發(fā)表題為“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”的最新研究成果，本研究引入了一種穩(wěn)定性好且多功能的材料—氧化鐿（YbOx）作為緩沖層，通過可擴(kuò)展的熱蒸發(fā)方法制備。該文通過詳細(xì)的材料表征和器件性能測(cè)試，從基礎(chǔ)理論到器件工藝角度展示了YbOx作為緩沖在提高器件穩(wěn)定性方面的顯著效果。這一研究意義重大，不僅為太陽能電池領(lǐng)域提供了一種熱穩(wěn)定性良好、成本低廉、易于制備的新型緩沖材料，也為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性和高效性能的PSCs奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
研究?jī)?nèi)容
研究人員為解決太陽能電池在實(shí)際運(yùn)行條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題采取了一系列有力的措施。首先，針對(duì)現(xiàn)有緩沖層材料的不足，他們首次合成了一種具有出色熱穩(wěn)定性和多功能性的新型緩沖材料—氧化鐿（YbOx）。通過可擴(kuò)展的熱蒸發(fā)方法，研究人員成功地制備了YbOx薄膜，并通過一系列表征手段對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
圖1. YbOx薄膜的表征
圖1展示了YbOx薄膜的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像，同時(shí)還展示了相應(yīng)的快速傅立葉變換（FFT）圖案。HRTEM圖像和FFT圖案揭示了YbOx的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出面心立方晶體結(jié)構(gòu)。通過XPS譜圖，研究人員進(jìn)一步證實(shí)了YbOx呈現(xiàn)出寬廣且連續(xù)的光電子峰，表明其呈現(xiàn)非晶態(tài)原子排列。通過反射電子能損失光譜（REELS）研究，科學(xué)家們確定了YbOx的表面帶隙高達(dá)5.5 eV，使其對(duì)可見光波長(zhǎng)透明。通過紫外光電子能譜（UPS）分析，研究人員定量測(cè)定了YbOx薄膜的電子結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括功函數(shù)、價(jià)帶最大值和導(dǎo)帶最小值。這一系列表征結(jié)果為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)，揭示了YbOx的優(yōu)越性質(zhì)。
圖2則展示了對(duì)YbOx緩沖層在太陽能電池中的應(yīng)用及其對(duì)器件性能的影響。通過Cu 2p XPS深度剖析，研究人員研究了YbOx在PSCs中的化學(xué)成分變化。結(jié)果顯示，YbOx成功阻止了Cu離子在器件中的擴(kuò)散，減緩了器件的退化過程。同時(shí)，通過Cu LMM Auger譜的分析，研究人員證實(shí)了YbOx緩沖層能有效抑制Cu的氧化，從而提高了金屬電極的穩(wěn)定性。在圖3中，研究人員詳細(xì)研究了YbOx在不同帶隙的p-i-n PSCs中的性能。通過J?V特性曲線的掃描，他們展示了使用YbOx緩沖層的PSCs在不同帶隙下取得的顯著效果，尤其是NBG、MBG和WBG型PSCs的性能表現(xiàn)。圖4則著重展示了YbOx緩沖層在提高PSCs的長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的卓越表現(xiàn)，通過熱穩(wěn)定性測(cè)試和長(zhǎng)期光照下的操作穩(wěn)定性跟蹤，研究人員驗(yàn)證了YbOx相較于傳統(tǒng)的BCP緩沖層在器件穩(wěn)定性上的明顯優(yōu)勢(shì)。
圖3. 基于YbOx的光伏性能
在圖4中，研究人員進(jìn)一步展示了YbOx緩沖層在太陽能電池（PSCs）的長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的卓越性能。通過對(duì)封裝的PSCs進(jìn)行85°C暗培養(yǎng)條件下的熱穩(wěn)定性測(cè)試，研究人員對(duì)比了使用BCP和YbOx緩沖層的NBG型和WBG型PSCs的性能變化。結(jié)果顯示，相較于BCP，采用YbOx緩沖層的器件在熱脅迫下表現(xiàn)出更高的初期PCE，并且在500小時(shí)后仍然保持98%的初始PCE。而采用BCP緩沖層的器件在500小時(shí)后只能保持82%的初始PCE。此外，研究人員還在光照條件下對(duì)封裝的PSCs進(jìn)行了長(zhǎng)期操作穩(wěn)定性跟蹤。NBG型PSCs中，使用YbOx緩沖層的器件在800小時(shí)后仍然保持其初始性能，并在1,000小時(shí)后仍能保持97%的初始PCE。相比之下，使用BCP緩沖層的器件在213小時(shí)后就下降到初始PCE的96%。這表明，YbOx緩沖層顯著提高了PSCs的長(zhǎng)期操作穩(wěn)定性，即使在多次外部應(yīng)力的情況下，YbOx緩沖層的器件在85°C高溫和高濕度條件下仍能保持較好的穩(wěn)定性。圖4. 基于YbOx的p-i-n PSCs的穩(wěn)定性。
創(chuàng)新點(diǎn)
本文的核心創(chuàng)新點(diǎn)在于首次采用具有化學(xué)穩(wěn)定性和多功能性的鐿氧化物（YbOx）作為緩沖材料，成功提升了鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
展望
本研究著眼于解決太陽能電池領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。通過首次采用化學(xué)穩(wěn)定性和多功能性并存的鐿氧化物（YbOx）作為緩沖材料，成功提高了鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這一研究過程不僅展示了多功能材料的設(shè)計(jì)重要性，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了化學(xué)穩(wěn)定性對(duì)器件實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵性。通過深入挖掘材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，研究人員運(yùn)用各種表征手段，如透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜等，全面了解了YbOx的特性。此外，研究通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展示了YbOx在不同帶隙的鈣鈦礦吸收層中的廣泛適用性，為太陽能電池的多樣化應(yīng)用提供了可能性。鑒于此，在經(jīng)后的研究中，我們可從中汲取的經(jīng)驗(yàn)包括注重材料穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)、全面考慮器件性能參數(shù)的影響、掌握先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技能和表征手段等。此外，強(qiáng)調(diào)工程化思維，關(guān)注材料在實(shí)際制備和器件集成中的應(yīng)用，將有助于更全面地理解和解決實(shí)際工程問題。因此，這一研究為碩博士提供了在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中尋找創(chuàng)新解決方案的指導(dǎo)和啟示。Chen, P., Xiao, Y., Hu, J. et al. Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells. Nature 625, 516–522 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-023-06892-x.
