Nat Commun:28.47%叠层效率!氧化钇工程化基底提升钙钛矿太阳能电池耐久性

来源:知光谷发布时间:2025-10-30 10:00:20

透明导电氧化物(TCO)作为钙钛矿太阳能电池(PSC)的基底,长期以来被认为具有良好稳定性,因此其对器件寿命的影响常被忽视。

本文武汉大学方国家、新加坡国立大学侯毅、意大利技术研究院Annamaria Petrozza和武汉纺织大学陶晨等人揭示了氟掺杂氧化锡(FTO)在工作应力下存在不稳定性,加剧了PSC的稳定性问题。为解决该问题,我们提出了一种通用的界面工程策略:采用可扩展的热蒸发结合自然氧化方法,形成原子级键合的氧化钇(Y₂O₃)层,以增强FTO的结构稳定性。蒸发的钇有效锚定了FTO中的部分晶格氧,防止元素解离。此外,Y₂O₃在粗糙FTO表面实现了保形沉积,提高了界面粘附能,建立了有效的离子扩散和载流子非辐射复合损失屏障。该策略显著增强了PSC的结构完整性,大幅提升了操作稳定性。未封装的器件在连续光照1200小时后性能损失可忽略不计。

值得注意的是,我们在正置(n-i-p)结构中实现了26.48%(认证效率26.12%)、倒置(p-i-n)结构中26.34%、叠层结构中28.47%的光电转换效率——均为各自类别中已报道的最高效率之一——充分证明了该策略的强通用性与商业化潜力。

研究亮点:

  1. 揭示FTO基底不稳定性,提出Y₂O₃界面强化新策略:首次系统指出FTO在工作条件下会发生离子扩散与元素解离,提出通过热蒸发+自然氧化形成原子级键合Y₂O₃界面层,显著增强基底稳定性。
  2. Y₂O₃层兼具强键合、高阻隔与光学透明性:Y₂O₃与FTO形成更强Y–O键(iCOHP=2.91 eV),粘附功提升至6.86 J/m²,有效抑制F、O、I离子互扩散,同时其宽禁带(5.7 eV)与匹配折射率保障高透光。
  3. 实现高效率与高稳定性兼备,具备强通用性与产业化前景:未封装器件在1200小时连续运行后效率几乎无衰减;在n-i-p、p-i-n及全钙钛矿叠层结构中分别实现26.48%、26.34%与28.47%的高效率,展示出广泛的器件适用性与商业化潜力。

Wang, H., Ge, Y., Shao, W. et al.Yttrium oxide engineered substrate enables improved durability for perovskite solar cells. Nat Commun16, 9508 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-64548-y

责任编辑:wanqin
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