近年來，圍繞鈣鈦礦的研究成果可謂是數不勝數，每年發表在 Nature 和 Science 上的論文數量也名列前茅。然而，截至目前很少有論文全面關注材料在製備和器件構築中的實際工程技術問題，給行業帶來不一樣的視角與思考。
最近一篇發表在 Nature 上的論文透過對材料物性和工程技術的深入理解，介紹了一款能適用於不同器件的非晶態多功能緩衝層。
其能助力突破基於氧化物緩衝層反式結構鈣鈦礦太陽能電池（inverted perovskite solar cells）25% 的光電轉換效率瓶頸，讓器件工作穩定性得以顯著提升。
該工作由來自加拿大多倫多大學、北京大學、英國牛津大學、雲南大學等高校的幾十位專家學者共同參與，他們透過聯合提出一種名為“物理氣相沉積 + 高真空原位快速氧化”新方法，藉此構築了非晶態稀土金屬氧化物氧化鐿（YbOx，ytterbium oxide）多功能緩衝層。
其所研發的低功函式稀土金屬非晶態 YbOx，除能用於鈣鈦礦太陽能電池(PSCs，perovskite solar cells)領域之外，也可廣泛用於有機發光二極體（OLED，organic light-emitting diode）、有機光伏器件（OPV，organic phohotovoltaics）、鈣鈦礦發光二極體（PLED，perovskite light-emitting diode）和光探測器(PD，photodiode)等。
需要指出的是，利用本次所開發的低功函式材料，可進一步助力實現高效穩定的頂發射 OLED 和 PLED 器件，從而在芯屏合一的矽基微顯示晶片領域得到快速應用。
評審專家也表示：“這項研究成果將推動鈣鈦礦光伏技術的產業發展，也有希望用於其他光電子器件之中，具有極大的商業應用潛力。”
日前，相關論文以《多功能氧化鐿緩衝層用於鈣鈦礦太陽能電池》（）為題，發表於 Nature[1]。
圖 | 相關論文（來源：Nature）
北京大學陳鵬博士、北京大學博士生黎順德、牛津大學肖雲博士、雲南大學胡俊濤博士是共同一作，加拿大多倫多大學羅德映博士和院士、北京大學研究員和院士、牛津大學亨利·斯奈斯（）院士擔任共同通訊作者。
金屬鹵化物鈣鈦礦（簡稱鈣鈦礦）是一類化合物半導體材料。憑藉光電效能優異、原料儲量豐富、加工簡易等優勢，在太陽能電池領域展現出巨大的應用潛力。因此，PSCs 是目前最受關注的太陽能電池。
然而，PSCs 介面存在嚴重的物質擴散與離子遷移，導致電池器件的光電轉換效率和工作穩定性大為受限。
為了改善器件效能，人們通常在電子傳輸層與金屬電極之間引入多功能緩衝層。目前，這類多功能緩衝層主要是原子層沉積氧化錫（ALD-SnOx，atomic layer deposition SnOx）或有機半導體浴銅靈（BCP，bathocuproine）。
ALD-SnOx 的製備耗時長，前驅體價格昂貴而且 PSCs 器件光電轉換效率低。基於 BCP 的器件儘管具有較高的光電轉換效率，但是 BCP 較差的穩定性會導致器件工作穩定性不佳。
因此，亟需開發穩定性突出、工藝簡單、且光電性質匹配的新型緩衝層材料。
稀土金屬鐿，具有加工簡易、低功函式、器件穩定性突出等優點，研究人員對其產生了極大興趣。為此，他們開展了本次課題。
圖 | 載流子輸運機理和太陽能電池效能（來源：Nature）
原位光電子能譜研究表明：針對稀土金屬鐿進行熱蒸鍍之後，可以在高真空（10-4 帕）環境下自發地形成氧化鐿（YbOx）。關於這一部分的相關論文發表在 Applied Physics Letters 上[2]。
鑑於此，本次課題的研究人員提出採用穩定、低功函式的 YbOx 作為緩衝層，擬用於解決氧化物緩衝層器件效率低和製備耗時的難題。
首先，他們成功證明了 YbOx 是一種非常出色的多功能緩衝層材料，能夠適用於不同帶隙的反式結構 PSCs。
其次，經過嚴格的穩定性測試，他們發現基於 YbOx 器件的工作穩定效能與 ALD-SnOx 器件相媲美。
進一步地，他們也系統揭示了 YbOx 修飾介面載流子輸運機制和器件穩定性提升機理。
“從課題確定到論文接收，前後歷時兩年半，一路充滿了坎坷，但也充滿美好，不勝感激。”本次論文共同通訊作者羅德映表示。
圖 | 羅德映（來源：羅德映）
他繼續說道：“非晶態 YbOx 工藝開發及其相關物性的探索至今令人難忘。
實事求是地講，當提出用稀土金屬鐿替代現有多功能緩衝層的時候，我們並沒有想到金屬鐿熱蒸鍍後可在高真空（10-4 帕）環境下自發形成非晶態 YbOx。更想不到這樣的非晶態 YbOx 的電荷輸運遵從聲子輔助的局域躍遷量子輸運模式。”
對於絕大部分材料來說，如果電荷載流子輸運以跳躍為主的時候，其導電能力通常不會太好。然而，本次研究卻發現基於非晶態 YbOx 的 PSCs 器件不僅光電轉換效率高，而且器件穩定性出眾。
“這也許就是科學研究的魅力所在——總會在機緣巧合下發現意想不到的結果。”羅德映說。
此外，他們還發現非晶態 YbOx 的費米能級附近存在高濃度的 Anderson-Mott 量子局域態，這正是構築基於量子局域態調控電荷輸運的高穩定介面的關鍵。
因此，在未來的研究中，他們希望進一步將量子調控構築低損耗電極的思路拓展至其他光電器件中，繼而開啟透過量子態調控構築歐姆接觸電極的新研究方向。
如開頭所述，研究鈣鈦礦的工作非常多，那麼如何既突出自己的特色、又能促進整個領域的發展？
對此，羅德映表示：“我始終秉承這樣的理念：我們研究的最終目標是為了推動該項技術實現產業落地，助力解決能源與環境問題，改善千家萬戶的生活，促進社會發展。
因此，一方面要發揮自身專業所長，找準個人定位；另一方面，要直面挑戰注重解決行業棘手難題，推動行業發展。”
前面提到，來自雲南大學和北京大學的研究人員參與了本次課題。而羅德映正是一位來自雲南省臨滄市的青年科學家，早年其本科和碩士均畢業於雲南大學，後在北京大學獲得博士學位。
2019 年至今，他先後在加拿大多倫多大學和美國加州大學聖地亞哥分校從事博士後研究。長期致力於新型半導體與光電子器件以及片上整合相關研究，是美國斯坦福大學公佈的全球前 2% 頂尖科學家，曾獲王大珩光學獎高校學生獎。
他曾在國際上率先提出並實現遞變異質結調控鈣鈦礦半導體介面能帶和缺陷的創新技術，也曾創下反式結構 PSCs 效率世界紀錄，相關論文於 2018 年發表於 Science[3]。
未來，他將繼續在科研圈深耕，並計劃回國發展，預計將於 2024 年 5 月回國建立自己的課題組，繼續聚焦於有機/有機-無極雜化半導體材料與光電器件以及光電融合整合微納系統的相關研究。
參考資料：
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
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