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北京大学新晋杰青,最新Nature!

2024-01-20 14:43:32
 一、研究背景

钙钛矿太阳能电池(PSCs)由夹在几层不同电荷选择性材料之间的固体钙钛矿吸收体组成,确保了器件的单向电流和高电压输出。在 p型/本征/n型 (p-i-n) PSC(也称为倒置 PSC)中,电子选择层和金属电极之间的“缓冲材料”可使电子从电子选择层流向电极。此外,它还能起到屏障的作用,抑制有害物质相互渗入或降解产物渗出钙钛矿吸收体。迄今为止,可蒸发有机分子和原子层沉积金属氧化物都取得了成功,但它们都有各自的缺陷。

二、研究成果
在此,北京大学朱瑞团队报告了通过可扩展的热蒸发沉积法为 p-i-n PSCs 制备化学性质稳定且多功能的氧化镱(YbOx)缓冲材料。他们在 p-i-n PSCs 中使用了这种氧化镱缓冲材料和窄带隙钙钛矿吸收体,获得了超过 25% 的认证功率转换效率。他们还证明了氧化镱在利用各种类型的钙钛矿吸收层实现高能效 PSC 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能效分别达到了 20.1% 和 22.1%。此外,在经过 ISOS-L-3 加速老化后,氧化镱封装器件的稳定性明显增强。相关研究工作以“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”为题发表在顶级期刊《Nature》上。祝贺!
三、图文速

图1. 氧化镱薄膜的表征
图 1a-c 显示了镱薄膜的高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 图像和相应的快速傅立叶变换 (FFT) 图形。高分辨透射电子显微镜图像和快速傅立叶变换图样显示了在选定的红色方形区域中,从[0-1 1]方向观察到的与空间群 225(Fm3m)面心立方体系相对应的晶体结构。通过 XPS 光谱澄清镱的自然氧化,得到的 YbOx 在典型的 FFT 模式中显示出宽广而连续的光晕,表明了非晶态原子排列。掠入射广角 X 射线散射也证实了氧化镱薄膜的非晶特性。氧化镱薄膜的能量色散 X 射线化学成分图表明,薄膜中镱元素和氧元素的分布在空间上是均匀的。反射电子能量损失光谱(REELS)显示,氧化镱的表面带隙高达 5.5 eV,对可见光波长是透明的。紫外光电子能谱(UPS)分析与 REELS 数据相结合,量化了与电子结构相关的重要信息,包括功函数、价带最大值(VBM)和导带最小值。这些结果表明,氧化镱薄膜可能是 n 型,费米级为 3.08 eV(真空),导带最小值为 1.26 eV(真空)。
图2. 升空全装置的光电子能谱分析
图 2 显示了在 80 °C 的环境空气(相对湿度为 80%)中加速老化 5 小时之前和之后,从带有(目标)和不带有(对照)YbOx 缓冲层的样品中测量到的 ESL 及其与金属电极界面中化学成分变化的 XPS 数据。采用机械分离法将铜电极与样品堆的其他部分分层。分层的 Cu 被称为 Cu 面,另一面为基底面。使用气体簇离子束 (GCIB) 溅射法去除基底面的埋藏有机 C60 层,以探查整个层叠。
图3. 光伏性能
为了评估氧化镱缓冲层对器件性能的影响,他们使用具有三种不同典型带隙的钙钛矿制作了完整的器件。首先,他们评估了基于窄带隙(NBG)钙钛矿吸收体(Rb0.05Cs0.05MA0.05 FA0.85Pb(I0.95Br0.05)3)的 p-i-n PSCs 的光伏性能。然后,用 3-(氨基甲基)吡啶对钙钛矿吸收体进行后处理,以抑制界面上的非辐射重组。图 3b 显示了带有氧化镱的 p-i-n PSC 器件配置以及氧化镱缓冲器的非晶性质。在这项研究中,氧化镱层的最佳厚度约为 1.5 nm。
从 J-V 扫描结果来看,采用氧化镱的冠军 PSC 显示出 25.2% 的出色 PCE(开路电压 (VOC) 为 1.16 V,填充因子 (FF) 为 0.83,短路电流密度 (JSC) 为 26.1 mA cm-2)。在标准模拟 1 太阳光照、AM 1.5 G 辐照度条件下,他们基于氧化镱的 p-i-n PSC 稳态功率输出(SPO)约为 24.7%,而且基于氧化镱的器件显示出可忽略不计的滞后特性。请注意,他们使用了 MgF2 防反射涂层来减少光反射,从而最大限度地提高 p-i-n PSC 的光电流。为了进一步验证他们的发现,他们将其中一种无封装的氧化镱基 NBG PSCs 送到中国科学院光伏与风电系统质量检测中心的认可机构进行外部认证。他们获得了 25.09% 的认证 PCE,这是 p-i-n PSCs 中最高的 PCE 之一,也是带有无机缓冲层的 p-i-n PSCs 中最好的 PCE 之一。他们的实验进一步验证了 YbOx 缓冲层在具有中带隙 (MBG) 和宽带隙 (WBG) 钙钛矿吸收体的 p-i-n PSC 中的通用性。含有氧化镱的 MBG PSC 性能显著,冠军 PCE 为 22.1%。尤其是基于氧化镱的 WBG 器件,其 PCE 令人印象深刻,高达 20.1%(VOC 为 1.30 V,FF 为 0.82,JSC 为 18.6 mA cm-2)。据我们所知,这一 PCE 是 WBG 值为 1.75-1.80 eV 的 p-i-n PSC 的最高 PCE 之一。此外,他们还发现,使用氧化镱的 p-i-n PSCs 具有很高的可重复性,而且无论钙钛矿带隙如何,器件性能的批次间差异都很小。
图4. 基于氧化镱的 p-i-nPSC 的稳定性
他们测试了含有 BCP 或 YbOx(使用环氧树脂密封的玻璃盖封装)的 PSC 的热稳定性。封装后的 PSC 在 85 °C 的黑暗环境中储存在一个充满 N2 的手套箱中。比较了带有 BCP 或 YbOx 缓冲层的基于 NBG 的 PSC 的热稳定性结果。与带有 BCP 的 PSC 相比,基于 YbOx 的器件在最初(<100 h)显示出 PCE 的轻微增加,并在 500 h后保留了其初始 PCE 的 98%。然而,与基于 NBG 的 PSC 相比,具有 BCP 或 YbOx 缓冲层的 WBG-PSC 降解速度更快。这种差异与高溴化物比率的 WBG 钙钛矿的固有稳定性差有关。尽管如此,基于 WBG 和 YbOx 的 PSC 在 500 h后仍能保持其初始 PCE 的 80%,而基于 BCP 的器件在最初 24 h内迅速下降到其初始 PCE 的 75%,500 h后器件性能下降约 57%。
四、结论与展望
尝试在电子选择层(ESL)和金属电极之间引入一个有效的缓冲层,以阻止原子和离子在钙钛矿层和金属层之间(双向)的移动,是提高整体器件性能的技术意义所在。在这种情况下,缓冲层必须促进电子从缓冲层定向流向金属电极,确保 PSC 的高效电子收集。沉积缓冲层的方法必须与(6,6)-苯基 C61 丁酸甲酯和巴克敏特富勒烯(C60)等底层材料兼容。此外,理想的缓冲层还能有效防止氧气和空气中的水分等外部有害物质的渗透。迄今为止,巴库丙碱(BCP)是最常用的缓冲材料,可在 p-i-n PSCs 中通过可扩展的热蒸发进行处理。遗憾的是,在有机光伏稳定性国际峰会(ISOS)规定的 85 ℃ 协议温度下,BCP 的热稳定性较差,这可能会限制其长期工作稳定性。低功函数氧化物,包括氧化锌(ZnO)纳米颗粒、致密氧化锡(SnO2)层和掺铝氧化锌纳米颗粒,也被用作 p-i-n PSC 的缓冲材料,以取代 BCP 或形成双层缓冲。然而,这些氧化物要么对大规模制造具有挑战性,要么需要专用仪器和昂贵的制造前体,这与具有成本效益的实际应用相矛盾。氧化镱(YbOx)是一种内在稳定的多功能材料,可通过可扩展的热蒸发方法沉积,是高效稳定的 pi-n PSCs 的理想缓冲材料。

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