【会员论文】SCM丨南邮唐为华教授、港科大（广州）陈子强助理教授团队：带隙工程调控 ε-Ga₂O₃ 用于增强紫外吸收并实现高效光稳定的钙钛矿太阳能电池

        由南京邮电大学唐为华教授、香港科技大学（广州）陈子强助理教授的研究团队在学术期刊 SCIENCE CHINA Materials 发布了一篇名为 Bandgap-engineered ε-Ga₂O₃ with enhanced ultraviolet absorption for high-efficiency and photostable perovskite solar cells （带隙工程调控 ε-Ga₂O₃ 用于增强紫外吸收并实现高效光稳定的钙钛矿太阳能电池）的文章。

        Science China Materials（《中国科学：材料科学（英文版）》）是由中国科学院主管、中国科学院与国家自然科学基金委员会共同主办的高水平国际英文学术期刊。期刊创刊于 2015 年，现为月刊，由《中国科学》杂志社与 Springer 联合出版。作为材料科学领域的权威期刊，Science China Materials 涵盖材料科学的所有研究方向，注重报道具有创新性和前瞻性的高质量研究成果，发表文章类型包括研究论文、快报、综述、观点、概念及研究亮点等。该刊被 SCIE、EI、Scopus、CSCD、CA、INSPEC 等国内外重要数据库收录，最新影响因子为 7.7（2025 年），五年影响因子为 6.6，CiteScore 为 12.1。期刊持续位列中科院材料科学 1 区及 JCR Q1 区，并入选“中国科技期刊卓越行动计划”领军期刊项目，是中国材料科学领域具有重要国际影响力的学术期刊之一。

        钙钛矿太阳能电池（PSCs，Perovskite Solar Cells）面临的一大难题是紫外光引发器件降解。高能紫外光子会加速缺陷生成、离子迁移以及界面劣化，严重损害器件长期工作稳定性。理想的紫外防护材料需要同时具备高效紫外衰减能力、高可见光透过率以及恶劣条件下优异稳定性。现有改善钙钛矿太阳能电池紫外耐久性的手段主要分为界面工程、内部紫外吸收/钝化中间层、外部光谱管理封装滤波三大类。界面策略高度依赖器件结构与制备工艺；内置紫外吸收中间层往往会引入光学损耗与界面复杂度。外部光谱管理方案可在不改动器件内部功能层前提下实现非侵入式光子防护，具备突出优势。氧化镓（Ga₂O₃）作为超宽禁带氧化物半导体，拥有深紫外响应与可见光高透过特性，热、化学稳定性优异；其中 ε‑Ga₂O₃ 可在蓝宝石上异质外延制备，但本征 ε‑Ga₂O₃ 吸收仅局限于短波紫外区域，需要带边工程拓展紫外衰减窗口。雾化化学气相沉积（mist‑CVD，mist‑chemical vapor deposition）是无真空、低成本溶液基薄膜制备手段，钒（V）作为过渡金属掺杂剂，有望调控 ε‑Ga₂O₃ 的近带边电子结构，在维持基体晶体框架前提下实现带隙窄化、拓宽紫外吸收范围。

        紫外诱导降解是制约钙钛矿太阳能电池长期稳定运行的重要因素。现有紫外防护策略多依赖界面修饰或器件内部紫外吸收层，易造成制备工艺复杂化和额外光学损失。该团队提出一种基于钒掺杂 ε-Ga₂O₃ 外延薄膜的透明紫外防护封装策略。利用低压雾化化学气相沉积技术，该团队在蓝宝石衬底上制备了高质量 ε-Ga₂O₃:V 外延薄膜，并将其作为钙钛矿太阳能电池的外部紫外吸收封装层。研究表明， V 掺杂能够有效调控 ε-Ga₂O₃ 的带边电子结构，同时保持其晶体结构、结晶质量和大面积均匀性。相比未掺杂 ε-Ga₂O₃， ε- Ga₂O₃:V 的光学带隙由 4.56 eV 缩小至 4.40 eV，深紫外吸收显著增强，紫外衰减范围由 UVC 区域拓展至 UVB 及部分 UVA 区域，并维持较低的可见光损失。第一性原理计算进一步表明， V 原子优先取代 Ga II 位点，并通过 V 3d 与 O 2p 态杂化重构近带边电子结构，从而导致吸收边红移和紫外吸收增强。将 ε- Ga₂O₃:V 外延蓝宝石作为封装层后，钙钛矿太阳能电池在连续 254 nm 紫外照射 1000 h 后仍保持 20.14% 的功率转换效率，相较于裸蓝宝石封装器件，紫外工作寿命延长超过四倍。该团队不仅揭示了 V 掺杂调控 ε- Ga₂O₃ 紫外吸收性能的作用机制，而且实现了透明氧化物薄膜与钙钛矿光伏器件的非侵入式集成，提供了一种可行的高效光稳定钙钛矿太阳能电池的紫外防护策略。

        ①低压 mist-CVD 制备非侵入式封装外延薄膜：该团队采用低压雾化化学气相沉积技术在蓝宝石上成功制备了钒掺杂 ε‑Ga₂O₃ (ε‑Ga₂O₃:V) 外延薄膜，并将其作为非侵入式外部封装层用于钙钛矿太阳能电池。

        ②V 掺杂实现带隙收窄，拓宽紫外衰减窗口：V 掺杂有效收窄了 ε‑Ga₂O₃ 的光学带隙（从 4.56 eV 至 4.40 eV），显著增强了深紫外吸收，并将紫外衰减窗口从 UVC 区域拓展至 UVB 及部分 UVA 区域，同时保持了低可见光损耗。

        ③第一性原理揭示掺杂微观作用机理：通过第一性原理计算揭示了 V 优先取代 Ga II 位点，并通过 V 3d 和 O 2p 态的杂化重构近带边电子结构，为吸收边红移和紫外吸收增强提供了微观解释。

        ④器件获得高初始光电转换效率：使用 ε‑Ga₂O₃:V 封装层后，钙钛矿太阳能电池实现了 25.46% 的初始最高光电转换效率，并在连续 254 nm 紫外照射 1000 小时后仍保持 20.14% 的 PCE。

        ⑤显著提升器件紫外工作寿命：相较于裸蓝宝石封装的参照器件，ε‑Ga₂O₃:V 封装使钙钛矿太阳能电池的紫外工作寿命延长超过四倍，展现出卓越的紫外稳定性。

        该团队系统研究了 V 掺杂对用于钙钛矿太阳能电池封装的 ε‑Ga₂O₃ 外延薄膜的生长、电子结构、光学响应和紫外屏蔽功能的影响。通过在蓝宝石衬底上采用低压雾化化学气相沉积法将 V 引入 ε‑Ga₂O₃，该团队成功实现了增强的深紫外衰减，同时保持了 ε 相框架、高结晶度和大面积均匀性。结果表明， V 掺杂使光学带隙从 4.56 eV 收窄至 4.40 eV，增强了 UVC 吸收，并将紫外衰减窗口扩展到 UVB 和部分 UVA 区域，同时保持了低可见光区域的光学损失。第一性原理计算进一步揭示， V 取代优先发生在 Ga II 位点，并通过 V 3d 相关态及其与 O 2p 态的杂化重构了近带边电子结构，从而为吸收边红移和价带修饰提供了微观起源。在器件层面， ε‑Ga₂O₃:V 涂覆的蓝宝石封装层提供了 25.46% 的最高初始 PCE，并在连续 254 nm 紫外照射 1000 小时后仍保持 20.14% 的 PCE，保持在定义的 20% 失效阈值之上，将紫外工作寿命比对照组器件延长了四倍以上。总的来说， V 掺杂的 ε‑Ga₂O₃ 作为一种有效的光谱管理封装材料，以最小的可见光损失抑制了紫外诱导的退化。该团队为钙钛矿太阳能电池的紫外防护封装提供了一种有效策略，并突显了其在严苛辐照条件下，特别是在空间相关应用中，实现稳定光伏运行的潜力。

        该研究得到香港科技大学（广州）陈子强启动经费、南京邮电大学科研基金、广州市科技计划项目（2023A03J0003、2023A03J0013、2023A04J0310、2023A03J0152）、广东省教育厅项目（2024ZDZX1005）、国家外国专家局项目（Y20240005）以及国家自然科学基金（CZ118SC24007、CZ118SC25005、RK118QN24006）资助。

图1. (a) 纯 Ga 源及最终前驱体溶液的制备流程；(b) 含 H₂O₂ 和 HCl 添加剂的 V 源的制备流程；(c) 用于在蓝宝石衬底上生长 ε‑Ga₂O₃ 和 ε‑Ga₂O₃:V 外延薄膜的低压 mist-CVD 系统示意图；(d) 配备导流板的可旋转基底支架放大图。

图2. (a) 在蓝宝石衬底上生长的 ε‑Ga₂O₃ 和 ε‑Ga₂O₃:V 薄膜的 XRD 图谱；(b) ε‑Ga₂O₃ 和 ε‑Ga₂O₃:V 薄膜的摇摆曲线及相应的半高宽值；(c) ε‑Ga₂O₃:V 薄膜的 SIMS 深度剖面图；(d, e) ε‑Ga₂O₃ 和 ε‑Ga₂O₃:V 薄膜的 AFM 形貌图；(f) ε‑Ga₂O₃:V 薄膜的椭圆偏振参数 Ψ(°) 空间分布图；(g, h) ε‑Ga₂O₃ 和 ε‑Ga₂O₃:V 薄膜的 SEM 图像；(i) (h) 中黄色方框区域的高倍 SEM 图像。

图 3. (a) ε‑Ga₂O₃ 与 ε‑Ga₂O₃:V 薄膜的紫外‑可见吸收光谱，插图为对应的 Tauc 图；(b) ε‑Ga₂O₃ 与 ε‑Ga₂O₃:V 薄膜的价带 X 射线光电子能谱，标注提取得到的价带顶位置；(c) 未掺杂 ε‑Ga₂O₃ 的轨道投影态密度；(d) 未掺杂 ε‑Ga₂O₃ 以及 V 取代 Ga I 和 Ga II 位的 V 掺杂 ε‑Ga₂O₃ 的晶体结构模型；(e) 基于能量有利的 V 取代构型的 V 掺杂 ε‑Ga₂O₃ 自旋极化轨道投影态密度；(f) ε‑Ga₂O₃ 与 ε‑Ga₂O₃:V 薄膜消光系数谱，插图为折射率谱；(g) ε‑Ga₂O₃ 与 ε‑Ga₂O₃:V 薄膜拉曼（Raman）光谱。

图 4. (a) ε‑Ga₂O₃ 基薄膜用于钙钛矿太阳能电池紫外屏蔽策略示意图；(b) 采用 Ga₂O₃ 包覆蓝宝石封装层的钙钛矿太阳能电池器件结构示意图；(c) 0 h 时刻，未封装、裸蓝宝石封装、ε‑Ga₂O₃ 封装、ε‑Ga₂O₃:V 封装四组器件的电流‑电压（J‑V）曲线，插图展示代表性器件背面，黄色标出 4 mm² 有效活性区域；(d) 四组器件外量子效率（EQE）谱图；(e) 0 h 条件下四组器件功率转换效率箱线统计图。

图 5. 在 254 nm 持续紫外辐照 1000 h 条件下，对照组、ε‑Ga₂O₃、ε‑Ga₂O₃:V 器件功率转换效率随老化时间变化曲线；虚线代表设定的 20 % 效率失效阈值；ε‑Ga₂O₃:V 器件经过 1000 h 老化之后效率仍然高于该阈值，紫外工作寿命相比对照组延长四倍以上。

DOI：

10.1007/s40843‑026‑4421‑7