近日，云南大学特聘教授吕正红院士（加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士）领衔的研究小组联合北京大学、牛津大学和多伦多大学等国内外研究团队，首次报道采用“物理气相沉积+高真空原位快速氧化方法”大规模制备“非晶态稀土氧化镱（ɑ-YbOx）”多功能缓冲层，用于解决钙钛矿太阳能电池（PSCs）因界面物质扩散和离子迁移导致器件效率和工作稳定性不佳的技术难题。该研究基于非晶态稀土氧化镱在费米能级附近高浓度的Anderson-Mott量子局域态，构筑了基于量子局域态调控电荷输运的高稳定界面，突破了氧化物缓冲层电池器件25%的效率瓶颈，同时，器件稳定性得到显著提高。
该研究成果以“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”为题，于北京时间2024年1月18日在Nature正刊上发表（DOI：10.1038/s41586-023-06892-x）。北京大学陈鹏博士、博士生黎顺德，牛津大学肖云博士，云南大学博士生胡俊涛（已毕业）为该论文的共同第一作者；吕正红院士、多伦多大学罗德映博士、牛津大学Henry Snaith教授、北京大学朱瑞研究员和龚旗煌院士为论文的共同通讯作者。
图1：缓冲层概述。（a）缓冲层在阻挡界面物质扩散与离子迁移方面作用的图示；（b）典型金属氧化物的标准摩尔吉布斯自由能；（c）金属镱的物理气相沉积工艺示意图。
在全球“双碳”目标下，新型钙钛矿太阳能电池是清洁能源研究的重要努力方向，然而，钙钛矿太阳能电池界面由于存在物质扩散与离子迁移，导致其电池器件光电转换效率与工作稳定性受限。为解决上述技术难题，需要在电荷传输层与金属顶电极界面引入缓冲层，但是，当前的缓冲层材料以有机半导体材料BCP和晶态氧化物SnOx为主，前者存在热稳定性不佳的短板，后者的加工制备工艺费时费力。鉴于此，亟需开发“工艺简单、组分均一、电荷输运特性良好、稳定性出色”的新型界面缓冲层材料。其中，氧化铟镓锌（IGZO）是一类最为典型的非晶态氧化物半导体材料，具有“高迁移率、大面积成膜均一、可低温制备”等优点。
受此启发，研究团队将目标锁定在能够用物理气相沉积的非晶态氧化物上。结合材料物性和吉布斯自由等综合分析，最终锁定“非晶态稀土氧化镱（ɑ-YbOx）”。
首先，通过工艺参数的系统优化，研究团队首次突破了基于ɑ-YbOx界面缓冲层的钙钛矿太阳能电池25%效率瓶颈，并且系统证明了该类ɑ-YbOx面缓冲层材料适用于不同带隙钙钛矿太阳能电池器件。此外，基于ISOS-L-3标准的器件老化分析表明，相比较常规的BCP界面缓冲层器件，基于ɑ-YbOx的器件表现出更为出色的稳定性，达到原子层沉积ALD-SnOx器件同等水平。同时，与ALD-SnOx器件相比较，基于ɑ-YbOx的器件无需长时间ALD-SnOx制备等待，可极大加速大规模生产效率。
图2：载流子输运机理和太阳能电池性能。（a）载流子在电子传输层/α-YbOx/Cu界面的输运示意图；（b）钙钛矿太阳能电池结构示意图；（c-e）基于不同带隙钙钛矿的太阳能电池性能。
其次，为揭示基于ɑ-YbOx界面电荷输运特性，研究团队联合开展了深入的研究。研究发现，ɑ-YbOx在费米能级附近存在高浓度Anderson-Mott量子局域态，因此，电荷输运遵从声子辅助的局域跃迁量子输运模式（也即不再遵循常规电子材料中的能带输运模式）。声子辅助的局域跃迁量子输运模式由Nevill Mott教授于1974年首次提出，Nevill Mott教授也因此于1977年获诺贝尔物理学奖。将ɑ-YbOx作为界面缓冲层引入到器件中，研究团队首次观测到声子辅助的局域跃迁量子输运能够在钙钛矿太阳能电池实际界面发生。该研究发现不仅为深入理解ɑ-YbOx界面电荷输运特性提供了科学依据，而且为未来设计、开发基于量子调控的电荷注入/提取电极提供了参考范例。
图3：钙钛矿太阳能电池的稳定性。（a-b）基于不同界面缓冲层的窄带隙和宽带隙钙钛矿太阳能电池的热稳定性对比（85°C）；（c）基于α-YbOx界面缓冲层的窄带隙钙钛矿太阳能电池运行稳定性；（d）在ISOS-L-3标准下,基于α-YbOx界面缓冲层的窄带隙钙钛矿太阳能电池运行稳定性；（e-f）纯钙钛矿薄膜（Control）和钙钛矿/α-YbOx（Target）界面的X射线光电子能谱随时间变化。
2023年以来，吕正红院士研究小组的其他研究成果陆续发表在Nature（IF=64.8）、Nature Energy（IF=56.7）、Advanced Materials（IF=29.4）、ACS Energy Letters（IF=22）、Advanced Functional Materials（IF=19）等期刊上，相关研究工作得到云南大学“双一流”学科建设经费的支持。
相关论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06006-7
https://doi.org/10.1038/s41560-023-01205-y
https://doi.org/10.1002/adma.202206345
https://doi.org/10.1002/adma.202208178
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c02856
https://doi.org/10.1002/adfm.202309511
供稿：物理与天文学院
编辑：李哲 责任编辑：王崴
