近年来，围绕钙钛矿的研究成果可谓是数不胜数，每年发表在 Nature 和 Science 上的论文数量也名列前茅。然而，截至目前很少有论文全面关注材料在制备和器件构筑中的实际工程技术问题，给行业带来不一样的视角与思考。

最近一篇发表在 Nature 上的论文通过对材料物性和工程技术的深入理解，介绍了一款能适用于不同器件的非晶态多功能缓冲层。

其能助力突破基于氧化物缓冲层反式结构钙钛矿太阳能电池（inverted perovskite solar cells）25% 的光电转换效率瓶颈，让器件工作稳定性得以显著提升。

该工作由来自加拿大多伦多大学、北京大学、英国牛津大学、云南大学等高校的几十位专家学者共同参与，他们通过联合提出一种名为“物理气相沉积 + 高真空原位快速氧化”新方法，借此构筑了非晶态稀土金属氧化物氧化镱（YbOx，ytterbium oxide）多功能缓冲层。

其所研发的低功函数稀土金属非晶态 YbOx，除能用于钙钛矿太阳能电池(PSCs，perovskite solar cells)领域之外，也可广泛用于有机发光二极管（OLED，organic light-emitting diode）、有机光伏器件（OPV，organic phohotovoltaics）、钙钛矿发光二极管（PLED，perovskite light-emitting diode）和光探测器(PD，photodiode)等。

需要指出的是，利用本次所开发的低功函数材料，可进一步助力实现高效稳定的顶发射 OLED 和 PLED 器件，从而在芯屏合一的硅基微显示芯片领域得到快速应用。

评审专家也表示：“这项研究成果将推动钙钛矿光伏技术的产业发展，也有希望用于其他光电子器件之中，具有极大的商业应用潜力。”

日前，相关论文以《多功能氧化镱缓冲层用于钙钛矿太阳能电池》（）为题，发表于 Nature[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature）

北京大学陈鹏博士、北京大学博士生黎顺德、牛津大学肖云博士、云南大学胡俊涛博士是共同一作，加拿大多伦多大学罗德映博士和院士、北京大学研究员和院士、牛津大学亨利·斯奈斯（）院士担任共同通讯作者。

金属卤化物钙钛矿（简称钙钛矿）是一类化合物半导体材料。凭借光电性能优异、原料储量丰富、加工简易等优势，在太阳能电池领域展现出巨大的应用潜力。因此，PSCs 是目前最受关注的太阳能电池。

然而，PSCs 界面存在严重的物质扩散与离子迁移，导致电池器件的光电转换效率和工作稳定性大为受限。

为了改善器件性能，人们通常在电子传输层与金属电极之间引入多功能缓冲层。目前，这类多功能缓冲层主要是原子层沉积氧化锡（ALD-SnOx，atomic layer deposition SnOx）或有机半导体浴铜灵（BCP，bathocuproine）。

ALD-SnOx 的制备耗时长，前驱体价格昂贵而且 PSCs 器件光电转换效率低。基于 BCP 的器件尽管具有较高的光电转换效率，但是 BCP 较差的稳定性会导致器件工作稳定性不佳。

因此，亟需开发稳定性突出、工艺简单、且光电性质匹配的新型缓冲层材料。

稀土金属镱，具有加工简易、低功函数、器件稳定性突出等优点，研究人员对其产生了极大兴趣。为此，他们开展了本次课题。

图 | 载流子输运机理和太阳能电池性能（来源：Nature）

原位光电子能谱研究表明：针对稀土金属镱进行热蒸镀之后，可以在高真空（10-4 帕）环境下自发地形成氧化镱（YbOx）。关于这一部分的相关论文发表在 Applied Physics Letters 上[2]。

鉴于此，本次课题的研究人员提出采用稳定、低功函数的 YbOx 作为缓冲层，拟用于解决氧化物缓冲层器件效率低和制备耗时的难题。

首先，他们成功证明了 YbOx 是一种非常出色的多功能缓冲层材料，能够适用于不同带隙的反式结构 PSCs。

其次，经过严格的稳定性测试，他们发现基于 YbOx 器件的工作稳定性能与 ALD-SnOx 器件相媲美。

进一步地，他们也系统揭示了 YbOx 修饰界面载流子输运机制和器件稳定性提升机理。

“从课题确定到论文接收，前后历时两年半，一路充满了坎坷，但也充满美好，不胜感激。”本次论文共同通讯作者罗德映表示。

图 | 罗德映（来源：罗德映）

他继续说道：“非晶态 YbOx 工艺开发及其相关物性的探索至今令人难忘。

实事求是地讲，当提出用稀土金属镱替代现有多功能缓冲层的时候，我们并没有想到金属镱热蒸镀后可在高真空（10-4 帕）环境下自发形成非晶态 YbOx。更想不到这样的非晶态 YbOx 的电荷输运遵从声子辅助的局域跃迁量子输运模式。”

对于绝大部分材料来说，如果电荷载流子输运以跳跃为主的时候，其导电能力通常不会太好。然而，本次研究却发现基于非晶态 YbOx 的 PSCs 器件不仅光电转换效率高，而且器件稳定性出众。

“这也许就是科学研究的魅力所在——总会在机缘巧合下发现意想不到的结果。”罗德映说。

此外，他们还发现非晶态 YbOx 的费米能级附近存在高浓度的 Anderson-Mott 量子局域态，这正是构筑基于量子局域态调控电荷输运的高稳定界面的关键。

因此，在未来的研究中，他们希望进一步将量子调控构筑低损耗电极的思路拓展至其他光电器件中，继而开启通过量子态调控构筑欧姆接触电极的新研究方向。

如开头所述，研究钙钛矿的工作非常多，那么如何既突出自己的特色、又能促进整个领域的发展？

对此，罗德映表示：“我始终秉承这样的理念：我们研究的最终目标是为了推动该项技术实现产业落地，助力解决能源与环境问题，改善千家万户的生活，促进社会发展。

因此，一方面要发挥自身专业所长，找准个人定位；另一方面，要直面挑战注重解决行业棘手难题，推动行业发展。”

前面提到，来自云南大学和北京大学的研究人员参与了本次课题。而罗德映正是一位来自云南省临沧市的青年科学家，早年其本科和硕士均毕业于云南大学，后在北京大学获得博士学位。

2019 年至今，他先后在加拿大多伦多大学和美国加州大学圣地亚哥分校从事博士后研究。长期致力于新型半导体与光电子器件以及片上集成相关研究，是美国斯坦福大学公布的全球前 2% 顶尖科学家，曾获王大珩光学奖高校学生奖。

他曾在国际上率先提出并实现递变异质结调控钙钛矿半导体界面能带和缺陷的创新技术，也曾创下反式结构 PSCs 效率世界纪录，相关论文于 2018 年发表于 Science[3]。

未来，他将继续在科研圈深耕，并计划回国发展，预计将于 2024 年 5 月回国建立自己的课题组，继续聚焦于有机/有机-无极杂化半导体材料与光电器件以及光电融合集成微纳系统的相关研究。

参考资料：

1. 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

2. https://doi.org/10.1063/5.0084140

3. https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.aap9282

运营/排版：何晨龙

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