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
第一作者：Peng Chen, Yun Xiao, Juntao Hu, Shunde Li
通讯作者：Deying Luo，Qihuang Gong, Zheng-Hong Lu, Henry J. Snaith, Rui Zhu
通讯单位：北京大学，云南大学，牛津大学，加拿大多伦多大学
DOI：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06892-x
钙钛矿太阳能电池（PSCs）由夹在多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，抑制有害粒子扩散到钙钛矿吸收体中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。本研究报告了一种化学性质稳定的p-i-n PSCs多功能缓冲材料--YbOx，该材料可通过规模化的热蒸发沉积方法制备。本研究将这种YbOx缓冲材料应用于带有窄带隙钙钛矿吸收器的 p-i-n PSC 中，获得了超过 25% 的认证功率转换效率。本研究还证明了YbOx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，ISOS-L-3 加速老化实验表明，YbOx封装器件的稳定性明显增强。1.吉布斯自由能较低的镱（Yb）在暴露于 O2 时很容易形成 YbOx ，因此可用热蒸发法来合成YbOx，这一特点使其在商业应用中大有可为。为了解镱的氧化过程，本研究首先在压力为 10-4 Pa 的器件制造真空室中，在大型ITO基片（100 平方厘米）上热蒸发了几纳米的镱薄膜。样品不同区域的取样数据显示出相同的 YbOx状态。氧化前后镱金属表面的颜色变化进一步证明了金属镱的快速氧化。然后，利用原位 X 射线光电子能谱（XPS）跟踪氧化过程，研究了干净的 Yb 表面的详细氧化动态。这些结果表明，在压力为 10-4 Pa 的设备制造真空室中进行制备时，沉积在大面积ITO 基底上的镱薄膜（厚度为几纳米）可在几分钟内完全氧化。这些优点省去了额外的专门氧化步骤，而其他采用热蒸发法处理的氧化物通常都需要这一步骤。2.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。在选定的红色正方形区域，从[0-1 1]方向观察到与空间群 225（Fm3m）面心立方体系相对应的晶体结构。通过 XPS 光谱（图 1d,e）表征了镱的自然氧化。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。3.掠入射广角 X 射线散射也证实了YbOx薄膜的非晶特性。掺镱氧化物薄膜的能量色散 X 射线化学成分图表明，薄膜中镱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，YbOx的表面带隙高达 5.5 eV（图 1f），其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，本研究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，YbOx薄膜可能是 n 型，费米能级为 3.08 eV（真空），导带最小值为 1.26 eV（真空）（图 1h）。图2| 光电子能谱分析半导体器件的离子抛光全尺寸样品1.图 2 显示了在 80℃ 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 缓冲层的样品中测得的 ESL 及其与金属电极界面中化学成分变化的 XPS 数据。采用机械剥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，另一面则为基底面。使用气体簇离子束 (GCIB) 溅射去除基底面的埋藏有机C60 层，以表征整个层叠结构。2.图 2a 和 b 显示了基底面在老化前后的铜 2p XPS 深度剖面图。请注意，在此观察中，Cs Auger信号（橙色突出显示）主要用于探测钙钛矿层。数据显示，GCIB 溅射 60 秒后，新鲜对照样品（不含YbOx）的 Cu 2p XPS 峰强度明显下降，随着溅射时间的增加，Cu 2p XPS 峰强度低于仪器的限制。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（图 2b）。而在 720 秒时，老化对照样品中同时检测到铜 2p XPS 峰和显著的Cs Auger信号。这一实验结果表明，老化对照样品中存在铜扩散。当在C60 和铜之间插入 YbOx 缓冲层时，在新鲜和老化的目标样品中均未检测到铜粒子分布到C60 和下面的钙钛矿中（图 2c）。3.接下来，通过跟踪老化后分层铜面的铜 LMM Auger峰，探测对照样品和目标样品分层铜面的化学变化。不含YbOx的老化对照样品在 571 eV 左右存在一个峰值（图 2d）。这一结果表明，在 80℃ 的环境空气（相对湿度为 80%）中加速老化 5 小时后，铜电极（对照组）的颜色发生了变化，因此老化对照组样品中可能会发生铜氧化。然而，在老化的目标样品（含YbOx）中没有观察到铜氧化峰（图 2e）。深度剖析数据显示，在加速老化前后，YbOx的化学状态在整个厚度上保持不变（图 2f）。1.为了评估YbOx缓冲层对器件性能的影响，本研究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，本研究评估了基于窄带隙（NBG）钙钛矿吸收体（Rb0.05Cs0.05MA0.05FA0.85Pb(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YbOx的 p-i-n PSC 器件配置以及YbOx缓冲器的非晶性质。在这项研究中，YbOx层的最佳厚度约为 1.5 纳米。2.从 J-V 扫描结果来看，使用YbOx的最优PSC 显示出 25.2%的显著 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）（图 3c）。在标准模拟1太阳光照、AM 1.5 G 辐照度条件下，本研究基于YbOx的 pi-n PSC 稳态功率输出（SPO）约为 24.7%（图 3c），基于YbOx的器件显示出可忽略不计的滞后性质。请注意，为了最大限度地提高 p-i-n PSCs的光电流，本研究使用了 MgF2 防反射涂层来减少光反射。3.为了进一步验证本研究的发现，本研究将其中一种非封装YbOx基 NBG PSC 送到中国科学院光伏与风电系统质量检测中心进行外部认证。本研究获得了 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。本研究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YbOx的 MBG PSC 性能显著，最优PCE 为 22.1%（图 3d）。尤其是基于YbOx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）（图 3e）。据本研究团队所知，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，本研究还发现，无论钙钛矿带隙如何，使用YbOx的 p-i-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4| 基于YbOx的 p-i-n PSC 的稳定性1.本研究测试了含有 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℃ 的黑暗环境中储存在一个充满 N2 的手套箱中。图 4a 比较了带有 BCP 或 YbOx缓冲层的基于 NBG 的 PSC 的热稳定性结果。与含有 BCP 的 PSC 相比，基于 YbOx的器件在最初（小于 100 小时）显示出 PCE 的轻微增长，并在 500 小时后保持了其初始 PCE 的98%。2.本研究还关注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。在没有主动冷却的情况下，测试的 PSC 还被封装并由强度相当于 100 mW cm-2 的 AM 1.5 G 辐照度的白色发光二极管 (LED) 阵列持续照射。最稳定的基于YbOx的 NBG 器件在 800 小时内保持了初始性能，并在 1,000 小时后保留了 97% 的初始 PCE（23.5%）（图 4c）。3.为了更深入地了解器件稳定性的提升的原理，本研究随后对老化前后含有 BCP 或YbOx 的全 PSC 器件进行了飞行时间二次离子质谱测量。结合飞行时间二次离子质谱法和深度剖面 XPS 结果（图 2），本研究证明用YbOx取代 BCP 可以抑制不良的双向有害物质的移动（如 I-、Cs+、Rb+ 和 Cu），而且本研究发现YbOx与钙钛矿不发生化学反应（图 4e-g）。YbOx是一种内在稳定的多功能材料，可通过规模化的热蒸发方法沉积，是高效稳定的 p-i-n PSCs 的理想缓冲材料。从不同的评估角度来看，多功能YbOx具有用作缓冲材料的优势。北京大学朱瑞教授等团队合作报告了一种化学性质稳定的p-i-n PSCs多功能缓冲材料--YbOx，该材料可通过规模化的热蒸发沉积方法制备。研究中利用爱丁堡稳态瞬态荧光研究钙钛矿中载流子迁移过程。爱丁堡稳态瞬态荧光光谱仪可为钙钛矿材料提供基本的光物理性质表征，为其机理研究提供实验依据。
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