【会员论文】APR丨香港科技大学（广州）陈子强助理教授团队：用于高性能稳定钙钛矿太阳能电池的定制紫外响应外延 β-Ga₂O₃

        由香港科技大学（广州）陈子强助理教授、南京邮电大学、吉林大学、香港科技大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Reviews 发布了一篇名为 Epitaxial β-Ga₂O₃ with tailored UV response for high-performance and stable perovskite solar cells（用于高性能稳定钙钛矿太阳能电池的定制紫外响应外延 β-Ga₂O₃）的文章。

        钙钛矿太阳能电池（PSCs）在紫外光（UV）照射下易发生吸光层降解、界面失效及离子迁移，从而导致电池效率快速衰减；虽然在电池内部引入保护层可抑制界面降解，但往往会增加制备工艺复杂性并影响载流子提取，因此开发兼具紫外遮蔽、力学防护与高封装阻隔性能的外部封装盖板（External Cover）成为提升钙钛矿太阳能电池长期稳定性的关键策略。

        紫外线照射会加速钙钛矿吸收层和电荷传输界面的降解，而内部紫外线防护层则会使制造过程复杂化并影响电荷提取。本文中，通过金属有机化学气相沉积法在蓝宝石上生长了掺硅外延 β-氧化镓（β-Ga₂O₃: Si）薄膜，并将其用作倒置型 p–i–n 钙钛矿太阳能电池的外部封装层。硅掺杂保留了单斜晶系 β-Ga₂O₃ 相和相当的薄膜厚度，同时促进了晶粒聚结，降低了表面粗糙度，并提高了大面积光学均匀性。更重要的是，它调整了 β-Ga₂O₃: Si/蓝宝石结构的紫外线响应，降低了 200~400 纳米范围内的透射率，其中 254 纳米处的透射率从 48.83 % 降低到 30.15 %。紫外线透射率的改变伴随着光学常数的重新分布、表面电子构型的改变、晶格氧主导的表面环境增强以及 254 纳米紫外线光响应的提高。β-Ga₂O₃: Si/蓝宝石封装层还表现出均匀的表面机械响应、有效的环境阻隔性能和热稳定性。采用该封装层的钙钛矿太阳能电池的初始功率转换效率为 26.16 %，在连续 254 纳米照射 1000 小时后，其初始效率保持率为 85.86 %，而裸露蓝宝石封装的对照组仅为 49.00 %。这些结果表明，β-Ga₂O₃: Si/蓝宝石是一种多功能外部封装层，可用于钙钛矿太阳能电池的紫外线光谱管理和持久运行。

        ①高质量外延生长与薄膜改性：利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石衬底上成功外延生长了硅掺杂氧化镓（β-Ga₂O₃：Si）薄膜。Si 的引入促进了晶粒拼接融合，将表面粗糙度（RMS）从 8.622 nm 显著降低至 2.528 nm，提升了极佳的大面积光学与力学均匀性。

        ②优异的紫外调控与日盲响应：掺硅调整了薄膜的光学常数与表面电子态，使其在 200–400 nm 全紫外波段的透光率明显降低（在 254 nm 处的透光率由 48.83% 降至 30.15 %），有效滤除有害紫外光，同时显著增强了 254 nm 处的紫外光电响应。

        ③多功能外延防护盖板：β-Ga₂O₃：Si/蓝宝石盖板不仅展现出更高的杨氏模量与硬度，还具备极佳的水氧阻隔性能（OTR＜1cm³/（m²·24h·0.1MPa），WVTR＜1g/（m²·24h））和高热稳定性。

        ④卓越的电池光电性能与抗 UV 稳定性：将其应用于反式（p-i-n）钙钛矿太阳能电池封装后，实现了 26.16 % 的初始光电转换效率（PCE）；在 254 nm 连续紫外光照射 1000 小时后，器件仍保持了初始效率的 85.86 %（绝对 PCE 为 22.46 %），远高于未涂层蓝宝石封装对照组的 49.00 %。

        本研究系统探讨了硅掺杂对外延 β-氧化镓（β-Ga₂O₃）薄膜在钙钛矿太阳能电池中的生长行为、电子结构、紫外光响应以及封装性能的影响。通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）法，在蓝宝石基底上生长了原始 β-Ga₂O₃ 和硅掺杂 β-Ga₂O₃（β-Ga₂O₃:Si）薄膜，这些薄膜保持了单斜晶系 β-Ga₂O₃ 相和相近的膜厚，同时表现出更窄的摇摆曲线半高宽（FWHM）、更密集的晶粒结合、更低的表面粗糙度和改善的大面积光学均匀性。硅掺杂降低了 β-Ga₂O₃ 薄膜在 200~400 纳米紫外光范围内的透射率，其中 254 纳米的透射率从 48.83 % 降低到 30.15 %，同时光学常数发生变化，电子费米子（E_F）与价带最大值（E_VBM）之差增大，表面环境以晶格氧为主。这些耦合变化增强了紫外光响应。此外，β-Ga₂O₃:Si/蓝宝石封装盖层具有更高且更均匀的杨氏模量和压痕硬度，在所施加的测试条件下，未检测到水蒸气或氧气渗透，且具有良好的热稳定性。在器件层面，β-Ga₂O₃:Si/蓝宝石封装盖层实现了最高的初始光电转换效率（PCE），达到 26.16 %。经过 1000 小时的连续 254 纳米照射后，β-Ga₂O₃:Si 器件保持了其初始 PCE 的 85.86 %，绝对 PCE 为 22.46 %，而 β-Ga₂O₃ 器件的 PCE 保持率为 67.43 %，绝对 PCE 为 17.35 %，对照组器件的 PCE 保持率为 49.00 %，绝对 PCE 为 12.50 %。总体而言，硅掺杂外延 β-Ga₂O₃ 作为一种多功能外部封装材料，集成了宽带紫外光衰减、机械强度、环境阻隔能力和热稳定性。 通过在不损害光伏输出的前提下抑制紫外线诱导的降解，该技术展现出在恶劣辐照条件下实现稳定 PSC 运行的强大潜力。

        本工作得到了香港科技大学（广州）陈子强初创基金、南京邮电大学基金、广州市科技计划项目（资助号：2023A03J0003、2023A03J0013、2023A04J0310和2023A03J0152）、广东省教育厅（资助号：2024ZDZX1005）、国家外国专家局（资助号：Y20240005）、中国国家自然科学基金（资助号：CZ118SC24007、CZ118SC25005和RK118QN24006）的支持。本工作还得到了香港科技大学（广州）材料表征与制备设施（MCPF）和绿色e材料（GeM）实验室的支持。本文中的材料生长实验使用的是广州塔诺西公司的设备。

图1. (a) 通过光谱椭圆偏振术测量的 β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的厚度分布，显示 β-Ga₂O₃ 的平均值为 164.44 nm，β-Ga₂O₃:Si 的平均值为 165.89 nm；(b) 在蓝宝石基底上生长的 β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的 X 射线衍射（XRD）图谱；(c) 在 β-Ga₂O₃（201）反射附近测量的 β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的 x 摇摆曲线，以及相应的半高宽（FWHM）值；(d) 和 (i) 分别为 β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的低倍扫描电子显微镜（SEM）图像；(e) 和 (g) 分别为 (d) 和 (i) 中框选区域的放大 SEM 图像；(f) 和 (h) 为相应的二值化 SEM 图像；(j) 和 (k) 为 β-Ga₂O₃ 薄膜的能量色散谱（EDS）元素图谱（Ga 和 O）；以及 (l) 和 (m) 为 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的 EDS 元素图谱（Ga 和 O）。

图2. (a)和(b)分别为 β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的低倍率原子力显微镜（AFM）形貌图像，其均方根（RMS）粗糙度值分别为 8.622 和 2.528 纳米；(c) 和 (d) 分别为 (a) 和 (b) 中框选区域的放大 AFM 图像，并标出了代表性晶粒尺寸；以及 (e) 和 (f) 分别为 β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的椭圆偏振参数 W 的空间映射图，其中白色虚线轮廓表示W值均匀的区域。

图3. (a)β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的紫外-可见光透射光谱，在 254 nm 处的透射率分别为 48.83 % 和 30.15 %；(b)β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的消光系数（k）和折射率（n）光谱；(c)β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的价带 – X 射线光电子能谱（VB-XPS）光谱，提取的费米能级与真空能级之差（E_F−E_VBM）值分别为 1.53 和 1.80 eV；(d)β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的峰拟合氧 1s X 射线光电子能谱（O 1s XPS），分解为 Ga–O 晶格氧（O_Ga−O）、缺陷相关氧（O_def）和羟基相关氧（O_OH）；(e)β-Ga₂O₃和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜在 266 nm 激发下的稳态光致发光光谱；以及(f)在黑暗和 254 nm 紫外光照射下测量的 β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的绝对电流-电压特性。

图4. (a) 钙钛矿太阳能电池用外延 β-Ga₂O₃ 保护层的示意图，突出了其紫外线屏蔽、机械保护以及水蒸气和氧气阻隔功能；(b)和(c)分别为 β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的杨氏模量空间分布图；(d)β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的杨氏模量和压痕硬度分布图；以及(e)和(f)分别为 β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 薄膜的压痕硬度空间分布图。

图5. (a) 电流密度-电压（J-V）曲线，(b) 外量子效率（EQE）光谱，以及(c) 0小时时裸露 PSC、对照、β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 器件的功率转换效率（PCE）值的箱线图；(d) 带有外延 β-Ga₂O₃/蓝宝石封装盖的 p-i-n 器件架构和封装配置示意图；以及(e) 对照、β-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃:Si 器件在连续 254 nm 紫外光照射下 1000 小时的 PCE 演变。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0353518