背景
随着太阳能电池技术的快速发展，提高光伏转换效率和确保设备的长期稳定性成为关键研究方向。单结构p型/本征/n型（p-i-n）钙钛矿太阳能电池（PSCs）在通过提高光伏转换效率达到25%以上的同时，其在实际运行条件下的长期稳定性仍然面临挑战。前期研究发现，在实际运行中，离子迁移导致的钙钛矿吸收层的化学成分变化可能引起微观和纳米尺度上的高度化学异质性，从而导致非辐射性复合中心的增加，成为器件退化的初始点。此外，移动的离子还可能扩散到电荷选择性层并在金属电极界面积累，引起电极腐蚀，损害金属电极的完整性，从而降低器件的稳定性。为了解决这一问题，科学家们提出了在电子选择性层（ESL）和金属电极之间引入有效缓冲层的策略，以阻止钙钛矿层和金属层之间的原子和离子运动。然而，现有的缓冲层材料如硫代酮基卤代铜（BCP）存在热稳定性差、成本较高等问题。因此，科学家们迫切需要一种热稳定性好、成本低廉且适用于大规模制备的新型缓冲材料。有鉴于此，北京大学朱瑞研究员、龚旗煌院士、牛津大学Henry J. Snaith教授、云南大学吕正红教授、加拿大多伦多大学罗德映教授等携手于Nature发表题为“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”的最新研究成果，本研究引入了一种稳定性好且多功能的材料—氧化镱（YbOx）作为缓冲层，通过可扩展的热蒸发方法制备。该文通过详细的材料表征和器件性能测试，从基础理论到器件工艺角度展示了YbOx作为缓冲在提高器件稳定性方面的显著效果。这一研究意义重大，不仅为太阳能电池领域提供了一种热稳定性良好、成本低廉、易于制备的新型缓冲材料，也为实现长期稳定性和高效性能的PSCs奠定了坚实基础。
研究内容
研究人员为解决太阳能电池在实际运行条件下长期稳定性问题采取了一系列有力的措施。首先，针对现有缓冲层材料的不足，他们首次合成了一种具有出色热稳定性和多功能性的新型缓冲材料—氧化镱（YbOx）。通过可扩展的热蒸发方法，研究人员成功地制备了YbOx薄膜，并通过一系列表征手段对其进行了详细的分析。
图1. YbOx薄膜的表征
图1展示了YbOx薄膜的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，同时还展示了相应的快速傅立叶变换（FFT）图案。HRTEM图像和FFT图案揭示了YbOx的结晶结构，呈现出面心立方晶体结构。通过XPS谱图，研究人员进一步证实了YbOx呈现出宽广且连续的光电子峰，表明其呈现非晶态原子排列。通过反射电子能损失光谱（REELS）研究，科学家们确定了YbOx的表面带隙高达5.5 eV，使其对可见光波长透明。通过紫外光电子能谱（UPS）分析，研究人员定量测定了YbOx薄膜的电子结构参数，包括功函数、价带最大值和导带最小值。这一系列表征结果为后续的研究奠定了基础，揭示了YbOx的优越性质。
图2则展示了对YbOx缓冲层在太阳能电池中的应用及其对器件性能的影响。通过Cu 2p XPS深度剖析，研究人员研究了YbOx在PSCs中的化学成分变化。结果显示，YbOx成功阻止了Cu离子在器件中的扩散，减缓了器件的退化过程。同时，通过Cu LMM Auger谱的分析，研究人员证实了YbOx缓冲层能有效抑制Cu的氧化，从而提高了金属电极的稳定性。在图3中，研究人员详细研究了YbOx在不同带隙的p-i-n PSCs中的性能。通过J−V特性曲线的扫描，他们展示了使用YbOx缓冲层的PSCs在不同带隙下取得的显著效果，尤其是NBG、MBG和WBG型PSCs的性能表现。图4则着重展示了YbOx缓冲层在提高PSCs的长期稳定性方面的卓越表现，通过热稳定性测试和长期光照下的操作稳定性跟踪，研究人员验证了YbOx相较于传统的BCP缓冲层在器件稳定性上的明显优势。
图3. 基于YbOx的光伏性能
在图4中，研究人员进一步展示了YbOx缓冲层在太阳能电池（PSCs）的长期稳定性方面的卓越性能。通过对封装的PSCs进行85°C暗培养条件下的热稳定性测试，研究人员对比了使用BCP和YbOx缓冲层的NBG型和WBG型PSCs的性能变化。结果显示，相较于BCP，采用YbOx缓冲层的器件在热胁迫下表现出更高的初期PCE，并且在500小时后仍然保持98%的初始PCE。而采用BCP缓冲层的器件在500小时后只能保持82%的初始PCE。此外，研究人员还在光照条件下对封装的PSCs进行了长期操作稳定性跟踪。NBG型PSCs中，使用YbOx缓冲层的器件在800小时后仍然保持其初始性能，并在1,000小时后仍能保持97%的初始PCE。相比之下，使用BCP缓冲层的器件在213小时后就下降到初始PCE的96%。这表明，YbOx缓冲层显著提高了PSCs的长期操作稳定性，即使在多次外部应力的情况下，YbOx缓冲层的器件在85°C高温和高湿度条件下仍能保持较好的稳定性。图4. 基于YbOx的p-i-n PSCs的稳定性。
创新点
本文的核心创新点在于首次采用具有化学稳定性和多功能性的镱氧化物（YbOx）作为缓冲材料，成功提升了钙钛矿太阳能电池（PSCs）的性能和长期稳定性。
展望
本研究着眼于解决太阳能电池领域的挑战。通过首次采用化学稳定性和多功能性并存的镱氧化物（YbOx）作为缓冲材料，成功提高了钙钛矿太阳能电池（PSCs）的性能和长期稳定性。这一研究过程不仅展示了多功能材料的设计重要性，同时强调了化学稳定性对器件实际应用的关键性。通过深入挖掘材料的结构和性质，研究人员运用各种表征手段，如透射电子显微镜、X射线光电子能谱等，全面了解了YbOx的特性。此外，研究通过实验数据展示了YbOx在不同带隙的钙钛矿吸收层中的广泛适用性，为太阳能电池的多样化应用提供了可能性。鉴于此，在经后的研究中，我们可从中汲取的经验包括注重材料稳定性的设计、全面考虑器件性能参数的影响、掌握先进的实验技能和表征手段等。此外，强调工程化思维，关注材料在实际制备和器件集成中的应用，将有助于更全面地理解和解决实际工程问题。因此，这一研究为硕博士提供了在科学研究和工程应用中寻找创新解决方案的指导和启示。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.
