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/本质/n型(p-i-n) PSCs(也称为反向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。
此外，它作为一个屏障，抑制有害物质进入钙钛矿吸收器或降解产物的相互扩散。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成功，但它们都有特定的缺陷。
在此，来自云南大学的吕正红&加拿大多伦多大学的Deying Luo和 Henry J. Snaith &山西大学、北京大学的龚旗煌和朱瑞等研究者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。相关论文以题为“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”于2024年01月17日发表在Nature上。
通过钝化方法，单结p型/本质/n型(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。
虽然在操作条件下导致设备退化的因素有很多，但在实际操作条件下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匀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置。
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。
人们试图在电子选择层(ESL)和金属电极之间引入有效的缓冲层，以阻止钙钛矿层和金属层之间的原子和离子运动，是提高整体器件性能的技术兴趣。在这种情况下，缓冲层必须促进电子从缓冲层向金属电极的定向流动，确保PSCs的有效电子收集。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-根碱(BCP)可以在p-i-n PSCs中进行可扩展的热蒸发处理。不幸的是，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，这可能会限制其长期运行稳定性。
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。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。具有较低吉布斯自由能的镱(Yb)在O2中有很强的形成YbOx的倾向。可以用热蒸发处理的YbOx在商业应用中显示出很大的前景。
为了了解Yb的氧化，研究者首先在器件制造真空室中，在基压为10-4 Pa的条件下，在大型氧化铟锡(ITO)衬底(100 cm2)上热蒸发了几纳米的Yb薄膜。来自样本不同区域的采样数据显示相同的YbOx状态。这种与金属Yb相关的快速氧化进一步证明了氧化前后抛光Yb金属表面的颜色变化。
然后，研究者使用原位X射线光电子能谱(XPS)跟踪氧化过程随时间的变化，研究了清洁Yb0表面的详细氧化动力学。这些结果表明，当在10-4 Pa的真空室中放大时，沉积在大面积ITO衬底上的Yb膜(厚度为几纳米)可以在几分钟内完全氧化。这些优点消除了额外的专用氧化步骤，这通常需要用热蒸发处理其他氧化物。
在此，研究者将该YbOx缓冲层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。研究者还证明了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。
图1. YbOx薄膜的表征
图2. 发射全器件光电子能谱图
图3. 光伏性能
图4. 基于YbOx的p-i-n PSCs的稳定性
文献信息
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
