北京大学/云南大学/牛津大学/多伦多大学，重磅Nature！

一、【导读】

基于钝化策略，单结p型/本征/n型（p-i-n）钙钛矿太阳能电池PSC（也称为倒置PSC）的功率转换效率（PCE）已超过25%。然而，已公布的p-i-n PSC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。尽管在工作条件下导致设备性能下降的原因有很多，在实际操作条件下的离子迁移是一项重要的挑战，它在设备中几乎无处不在。其中，钙钛矿吸收层内的电偏置和照明诱导的离子迁移可以在纳米级和微米级水平上改变化学成分，诱导更高的化学异质性，增加非辐射复合中心和随后发生器件降解的初始位点。此外，这些来自钙钛矿吸收剂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处积累。积聚的离子腐蚀金属电极，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中，这可能导致金属卤化物的形成和器件稳定性的减弱。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，以阻止钙钛矿和金属层之间的原子和离子运动（双向） 在提高设备整体性能方面具有技术意义。在这种情况下，缓冲层必须促进电子从缓冲液到金属电极的定向流动，确保PSC的高效电子收集。沉积缓冲层的方法必须与底层材料相容，而且理想的缓冲层可以有效防止O₂等外部有害物质的渗透和空气中的水分。迄今为止，最常用的缓冲材料浴铜灵（BCP）可以在p-i-n PSC中通过可扩展的热蒸发进行处理。不幸的是，BCP在国际有机光伏稳定性峰会（ISOS）协议规定的85°C协议温度下热稳定性差，这可能会限制长期运行稳定性。

二、【成果掠影】

在此，北京大学朱瑞教授和龚旗煌教授，英国牛津大学Henry J. Snaith教授，云南大学吕正红教授和加拿大多伦多大学罗德映博士等人（通讯作者）报告了一种化学稳定且多功能的缓冲材料—氧化镱（YbO_x），对p-i-n钙钛矿太阳能电池进行可扩展的热蒸发沉积。作者使用这个 YbO_x p-i-n PSC中的缓冲液，带有窄带隙钙钛矿吸收剂，经认证的功率转换效率超过25%。同时，作者还证明了YbO_x的广泛适用性，在各种类型的钙钛矿吸收层中实现高效的PSC，宽带隙钙钛矿吸收体和中带隙钙钛矿吸收体分别提供20.1%和22.1%的先进效率。此外，当受到 ISOS-L-3加速老化时，用YbOx封装器件表现出明显增强的器件稳定性。

相关研究成果以“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”为题发表在Nature上。

三、【核心创新点】

1.本文使用一种本质稳定的多功能材料—氧化镱（YbO_x），可以通过可扩展的热蒸发方法沉积，作为一种引人注目的缓冲材料可用于高效和稳定的p-i-n PSC。

2.在各种类型的钙钛矿吸收层中实现了高效的PSC，宽带隙钙钛矿吸收体和中带隙钙钛矿吸收体分别提供20.1%和22.1%的先进效率。

四、【数据概览】

图1  YbO_x薄膜的表征© 2024 Springer Nature

图2 剥离全器件的光电子能谱© 2024 Springer Nature

图3 光伏性能© 2024 Springer Nature

图4  YbO_x基p-i-n钙钛矿太阳能电池的稳定性© 2024 Springer Nature

五、【成果启示】

综上所述，本文使用YbO_x封装的器件在500 h后保留了约85%的初始PCE（23.6%），这与用氧化锡封装的p-i-n钙钛矿太阳能电池相当。相比之下，在ISOS-L-3测试资格证书下，基于BCP的设备在213小时后仅保留了60%的初始PCE。这些结果表明，含YbO_x缓冲液的钙钛矿太阳能电池比常规含BCP的钙钛矿太阳能电池具有更强的抗外部应力能力，这与之前的观察结果一致。值得注意的是，尽管在过去41年中已经报道过使用BCP缓冲层结合Cr/Au电极增强p-i-n钙钛矿太阳能电池的器件稳定性，但这样的多层缓冲使器件更加复杂，而且由于其成本高，金不是可扩展的金属。此外，在老化前后使用BCP或YbOx的全PSC设备上进行了飞行时间的二次离子质谱测量。结合飞行时间二次离子质谱和深度XPS结果，证明了用YbO_x取代BCP可以抑制不良的双向有害运动（如I^-、Cs⁺、Rb⁺和Cu），发现YbO_x与钙钛矿没有化学反应。因此，从不同的评价角度来看，多功能YbO_x有利于作为缓冲材料使用。

文献链接：“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”（Nature，2024，10.1038/s41586-023-06892-x）

本文由材料人CYM编译供稿。