朱瑞，北京大学物理学院现代光学研究所，研究员（长聘），博士生导师，入选北京大学“博雅青年学者”，国家基金委杰出青年科学基金获得者（2023年），获国国家自然科学基金优秀青年科学基金项目资助（2017年），北京市杰出青年科学基金资助（2021年），中国物理学会“萨本栋应用物理奖”（2023年）。
朱瑞教授长期从事光电材料领域研究。在Science、Nature等重要学术刊物上发表学术论文100余篇，总引次数>13000次，H指数51（WOS）。获中国专利授权18项。研究成果被Science和Nature等期刊文章大篇幅重点引用，被多个学术期刊或媒体等作热点评论或专题报道。担任Science、Nature及子刊、Advanced Materials系列、ACS系列等刊物的独立审稿人。
2024年1月17，朱瑞研究员联合多名学者在《Nature》上发表研究成果，下面，就让小编带大家一起拜读一下这篇文章
用于钙钛矿太阳能电池的多功能氧化钇缓冲液
钙钛矿太阳能电池（PSC）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，可确保器件的单向电流流动和高电压输出。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，抑制有害物种相互扩散到钙钛矿吸收体或降解产物从钙钛矿吸收体中流出。迄今为止，可蒸发有机分子和原子层沉积金属氧化物已经取得了成功，但每种方法都有特定的缺陷。
在此，北京大学朱瑞研究员、龚旗煌院士联合牛津大学Henry J. Snaith，云南大学吕正红教授、加拿大多伦多大学罗德映教授共同报告了一种化学性质稳定的多功能缓冲材料--氧化镱（YbOx），该材料可通过可扩展的热蒸发沉积方法用于 p-i-n PSCs。作者在带有窄带隙钛矿吸收器的 p-i-n PSC 中使用了这种氧化镱缓冲材料，获得了超过 25% 的认证功率转换效率。作者还证明了氧化镱在利用各种类型的钙钛矿吸收层实现高效 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效率分别达到了 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。相关成果以“Multifunctional ytterbium oxide buffer for perovskite solar cells”为题发表在《Nature》上，陈 鹏为第一作者，Yun Xiao, Juntao Hu, Shunde Li为共同一作。
氧化镱的性质
吉布斯自由能较低的镱（Yb）在暴露于氧气时有形成 YbOx 的强烈倾向。为了了解镱的氧化过程，作者首先在基压为 10-4 Pa 的器件制造真空室中，在大型铟锡氧化物（ITO）基片上热蒸发了几纳米的镱薄膜。氧化前后抛光镱金属表面的颜色变化进一步证明了金属镱的快速氧化。利用原位 X 射线光电子能谱（XPS）跟踪氧化过程，结果表明，在基础压力为 10-4 Pa 的器件制造真空室中进行放大时，沉积在大面积 ITO 基底上的镱薄膜可在几分钟内完全氧化。
图 1a-c 显示了镱薄膜的高分辨率透射电子显微镜图像和相应的快速傅立叶变换图形。结果显示，在选定的红色方形区域，从[0-1-1]方向观察到的晶体结构与空间群为 225（Fm3m）的面心立方体系相对应。通过 XPS 光谱（图 1d,e）判断镱的自然氧化，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。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（图 1f），对可见光波长是透明的。通过将紫外光电子能谱（UPS）分析（图 1g）与 REELS 数据相结合，量化了与电子结构相关的重要信息。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 1h）。
图 1：YbOx 薄膜的表征
界面YbOx的多功能作用
图 2 显示了在 80 °C 的环境空气中加速老化 5 小时之前和之后，从带有和不带有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。图 2a 和 b 显示了基底面在老化前后的铜 2p XPS 深度剖面图。数据显示，GCIB 溅射 60 秒后，不含氧化镱的 Cu 2p XPS 峰强度明显下降。相比之下，老化对照样品的 Cu 2p XPS 峰在延长 GCIB 溅射时间（例如 360 秒）后仍可检测到。当在 C60 和 Cu 之间插入 YbOx 缓冲层时，在所有的靶样品中都检测不到 Cu 分布到C60 和钙钛矿中。深度剖析数据显示，在加速老化前后，氧化镱的化学状态在整个厚度上保持不变。
图 2：升空全装置的光电子能谱图
光伏性能提升
为了评估氧化镱缓冲层对器件性能的影响，作者使用具有三种不同典型带隙的钙钛矿制造了完整的器件。首先评估了基于窄带隙（NBG）包晶石吸收体的 p-i-n PSCs 的光伏性能。从 J-V 扫描结果来看，含有氧化镱的PSC 显示出 25.2% 的显著 PCE（图 3c）。在标准模拟 1 太阳光照、AM 1.5 G 辐照度条件下，基于氧化镱的 pi-n PSC 稳态功率输出（SPO）约为 24.7%（图 3c）。认证后的结果是 p-i-n PSCs 中最高的 PCE 之一，也是带有无机缓冲层的 pi-n PSCs 中最好的 PCE 之一。作者还进一步验证了 YbOx 缓冲层在具有中带隙（MBG）和宽带隙（WBG）钙钛矿吸收体的 pi-n PSC 中的通用性。含有氧化镱的 MBG PSC 性能显著，最高 PCE 为 22.1%（图 3d）。尤其是基于氧化镱的 WBG 器件，其 PCE 令人印象深刻，高达 20.1%（图 3e）。此外，使用氧化镱的 pi-n PSC 器件都具有很高的可重复性，而且器件性能的批次间差异很小（图 3f）。
图 3：光伏性能
热稳定性和操作稳定性
作者测试了含有 BCP 或 YbOx的 PSC 的热稳定性。与带有 BCP 的 PSC 相比，基于 YbOx 的器件在最初（<100 小时）显示出 PCE 的轻微增加，并在 500 小时后保留了其初始 PCE 的 98%。基于 WBG 和 YbOx 的 PSC 在 500 小时后仍能保持 80% 的初始 PCE，而基于 BCP 的器件在最初的 24 小时内会迅速下降到初始 PCE 的 75%，500 小时后器件性能下降约 57%。
作者还研究了在有热应力和无热应力的情况下，最大功率输出在 1 太阳光照下的长期运行稳定性跟踪。最稳定的基于 NBG 的 YbOx 器件在 800 小时内保持了初始性能，在 1,000 小时后保持了 97% 的初始 PCE（23.5%）（图 4c）。相比之下，含有 BCP 的基于 NBG 的器件在 213 小时后迅速降至初始 PCE 的 96%。值得注意的是，与基于 BCP 的器件相比，当受到多重外部应力时，基于封装氧化镱的器件在环境空气中85 ° C 的最大功率输出点仍然表现出更好的长期运行稳定性（图 4d）。这些结果表明，与含有普通 BCP 的 PSC 相比，含有 YbOx 缓冲剂的 PSC 对外部应力的抵抗能力更强。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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