北京大學/云南大學/牛津大學/多倫多大學，重磅Nature！

一、【導讀】

基于鈍化策略，單結p型/本征/n型（p-i-n）鈣鈦礦太陽能電池PSC（也稱為倒置PSC）的功率轉換效率（PCE）已超過25%。然而，已公布的p-i-n PSC在嚴格測試條件下的運行穩定性仍然落后于商業上可行的太陽能電池板。盡管在工作條件下導致設備性能下降的原因有很多，在實際操作條件下的離子遷移是一項重要的挑戰，它在設備中幾乎無處不在。其中，鈣鈦礦吸收層內的電偏置和照明誘導的離子遷移可以在納米級和微米級水平上改變化學成分，誘導更高的化學異質性，增加非輻射復合中心和隨后發生器件降解的初始位點。此外，這些來自鈣鈦礦吸收劑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處積累。積聚的離子腐蝕金屬電極，破壞金屬電極的完整性，降低器件的穩定性。長期不穩定性的另一個關鍵問題是金屬擴散到電子選擇層和鈣鈦礦層中，這可能導致金屬鹵化物的形成和器件穩定性的減弱。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，以阻止鈣鈦礦和金屬層之間的原子和離子運動（雙向） 在提高設備整體性能方面具有技術意義。在這種情況下，緩沖層必須促進電子從緩沖液到金屬電極的定向流動，確保PSC的高效電子收集。沉積緩沖層的方法必須與底層材料相容，而且理想的緩沖層可以有效防止O₂等外部有害物質的滲透和空氣中的水分。迄今為止，最常用的緩沖材料浴銅靈（BCP）可以在p-i-n PSC中通過可擴展的熱蒸發進行處理。不幸的是，BCP在國際有機光伏穩定性峰會（ISOS）協議規定的85°C協議溫度下熱穩定性差，這可能會限制長期運行穩定性。

二、【成果掠影】

在此，北京大學朱瑞教授和龔旗煌教授，英國牛津大學Henry J. Snaith教授，云南大學呂正紅教授和加拿大多倫多大學羅德映博士等人（通訊作者）報告了一種化學穩定且多功能的緩沖材料—氧化鐿（YbO_x），對p-i-n鈣鈦礦太陽能電池進行可擴展的熱蒸發沉積。作者使用這個 YbO_x p-i-n PSC中的緩沖液，帶有窄帶隙鈣鈦礦吸收劑，經認證的功率轉換效率超過25%。同時，作者還證明了YbO_x的廣泛適用性，在各種類型的鈣鈦礦吸收層中實現高效的PSC，寬帶隙鈣鈦礦吸收體和中帶隙鈣鈦礦吸收體分別提供20.1%和22.1%的先進效率。此外，當受到 ISOS-L-3加速老化時，用YbOx封裝器件表現出明顯增強的器件穩定性。

相關研究成果以“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.本文使用一種本質穩定的多功能材料—氧化鐿（YbO_x），可以通過可擴展的熱蒸發方法沉積，作為一種引人注目的緩沖材料可用于高效和穩定的p-i-n PSC。

2.在各種類型的鈣鈦礦吸收層中實現了高效的PSC，寬帶隙鈣鈦礦吸收體和中帶隙鈣鈦礦吸收體分別提供20.1%和22.1%的先進效率。

四、【數據概覽】

圖1 ?YbO_x薄膜的表征? 2024 Springer Nature

圖2 剝離全器件的光電子能譜? 2024 Springer Nature

圖3 光伏性能? 2024 Springer Nature

圖4 ?YbO_x基p-i-n鈣鈦礦太陽能電池的穩定性? 2024 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，本文使用YbO_x封裝的器件在500 h后保留了約85%的初始PCE（23.6%），這與用氧化錫封裝的p-i-n鈣鈦礦太陽能電池相當。相比之下，在ISOS-L-3測試資格證書下，基于BCP的設備在213小時后僅保留了60%的初始PCE。這些結果表明，含YbO_x緩沖液的鈣鈦礦太陽能電池比常規含BCP的鈣鈦礦太陽能電池具有更強的抗外部應力能力，這與之前的觀察結果一致。值得注意的是，盡管在過去41年中已經報道過使用BCP緩沖層結合Cr/Au電極增強p-i-n鈣鈦礦太陽能電池的器件穩定性，但這樣的多層緩沖使器件更加復雜，而且由于其成本高，金不是可擴展的金屬。此外，在老化前后使用BCP或YbOx的全PSC設備上進行了飛行時間的二次離子質譜測量。結合飛行時間二次離子質譜和深度XPS結果，證明了用YbO_x取代BCP可以抑制不良的雙向有害運動（如I^-、Cs⁺、Rb⁺和Cu），發現YbO_x與鈣鈦礦沒有化學反應。因此，從不同的評價角度來看，多功能YbO_x有利于作為緩沖材料使用。

文獻鏈接：“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”（Nature，2024，10.1038/s41586-023-06892-x）

本文由材料人CYM編譯供稿。