原子层沉积TiO₂应用于钙钛矿太阳能电池致密层

【作者】 胡航； 董兵海； 万丽； 孔梦琴； 陈苗苗； 赵丽； 王二静； 许祖勋； 李静； 王世敏；

【机构】 湖北大学有机化工新材料湖北省协同创新中心； 湖北大学功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室； 湖北大学材料科学与工程学院；

【摘要】 本文研究了高效、低成本和高稳定性的无空穴固态钙钛矿太阳能电池,该电池基于TiO₂作为电子传输层（ETL）和碳作为对电极并在空气条件下制备。首先利用原子层沉积（ALD）技术,在氟掺杂SnO₂（FTO）电极表面沉积不同厚度的TiO₂薄膜。然后,我们在空气条件下组装了一系列的钙钛矿太阳能电池（PSC）。在ALD循环中,Ti和O的前驱体被载气带到FTO玻璃基底表面,TiO₂通过自限制反应在FTO表面活性点反应产生。如图1所示,最终结果是,在每个ALD循环顺利完成后,获得了光滑、保留有基底原始的形貌的TiO₂薄膜。图2（a）和2（b）为可以很明显地看到,纳米尺寸的TiO₂小晶粒彼此精密结合在一起,并且没有出现微小的针孔。这说明ALD-TiO₂致密层薄膜具有较高的表面覆盖率。退火之后的ALD-TiO₂薄膜如图2（b）,ALD-TiO₂薄膜的形貌几乎没有很大改变,只出现了轻微的裂缝,但这毫不影响薄膜整体的均一性。该电池的断面SEM如图3（a）所示。TiO₂介孔层和钙钛矿覆盖层总厚度约为3μm。碳对电极的厚度大概是10μm。图3（c）,可以看出FTO基底沉积TiO₂薄膜后仍具有较好的透光性。ALD-TiO₂薄膜的不同厚度是通过ALD循环数精确控制,2000 ALD循环数的ALD-TiO₂薄膜的厚度为181nm。相应的PSC的光伏性能在AM 1.5G光照(100 mW cm^-2)条件下测得。所有的器件均是在55%的空气条件下制备,在组装完成放置12h（干燥、非密封性条件下储存）后测试,可以得到最佳PCE值。基于2000 cycles ALD-TiO₂致密层的PSC的V_oc、J_sc、FF分别为965mV、19.53 mA cm-2、41.47%最高PCE为7.82%。更多还原