近日，北京大学龚旗煌院士、朱瑞、英国牛津大学Henry J. Snaith、云南大学吕正红院士、加拿大多伦多大学罗德映等人研究出一种化学稳定的多功能缓冲材料氧化镱(YbOx)，通过可扩展的热蒸发沉积用于反式钙钛矿太阳能电池。在带有窄带隙钙钛矿吸收器的反式钙钛矿太阳能电池中使用了这种YbOx缓冲器，经认证的功率转换效率超过25%。相关成果以“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”为题，在《自然》上发表。国家蛋白质科学研究（上海）设施BL19U1线站、BL17B1线站；上海光源BL14B1线站和辅助实验室为此项研究提供了研究机时和实验支持。其中，用户利用辅助实验系统进行样品制备相关工作，为后续实验提供可靠的材料基础；利用BL14B和BL19U1开展前期结晶实验的探索工作，利用BL17B1线站的GIWAXS技术，通过对不同基底上沉积的非晶态Yb薄膜进行结构探测，捕获了不同片层薄膜的晶相信息。本文实验中，使用的X射线波长为1.240 ？，掠射入射角为1.0 ，通过Pilatus 2M探测器进行数据收集。这些结果为进一步优化钙钛矿能源电池设计提供了重要支持。 

钙钛矿太阳能电池作为新兴的薄膜太阳能电池技术备受瞩目，其主要组成材料为半导体特性的无机晶体结构，最常见的成分为有机铅卤化物。这一技术以其光电转换性能高效、制备工艺简便和适应性广泛等特点引起了普遍关注。然而，尽管该材料在提高光伏转换效率方面取得了显著进展，但其长期稳定性不佳和环境适应性较差，仍然是亟待解决的挑战。研究人员致力于改进材料稳定性、提高器件寿命，并优化制备工艺以推动该技术的商业化应用和可持续发展。在这一背景下，反式钙钛矿太阳能电池{p型/本征/n型(p-i-n)}作为一种关键的研究方向，通过优化器件结构和材料设计，致力于兼顾高效转换和长期稳定性，为太阳能电池领域的进一步发展提供了有前途的解决方案。但是实际研究中，离子迁移可能导致钙钛矿吸收层的化学变化，引发器件退化，并可能降低器件稳定性，包括微观和纳米尺度上的高度化学异质性以及电极腐蚀的问题。 

图1. YbOx薄膜的表征 

研究人员为解决太阳能电池在实际运行条件下的长期稳定性问题采用了新型缓冲材料——具有出色热稳定性和多功能性的氧化镱（YbOx）。通过可扩展的热蒸发方法成功制备了YbOx薄膜，并进行了详细分析(如图1所示)。并且在光照条件下跟踪了密封条件下PSCs的稳定性，证实了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（如图2所示）。 

在众多国际大学的研究竞争中，这一研究成果不仅彰显了中国学术界的实力，而且预示着可再生能源领域的一个全新时代的来临。这项研究，以其高效率和广泛适用性，可能为全球能源危机提供了一线生机。 

图2. 基于YbOx的p-i-n PSCs的稳定性 

图3. 2D 掠入射广角X射线散射（GIWAXS）测量 

原文链接：DOI: 10.1038/s41586-023-06892-x