鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因其高效率和低成本成為光伏領(lǐng)域的研究熱點，但其性能受限于電子傳輸層（ETL）的電荷復合與界面缺陷。SnO?因其高透光性（>85%）和化學穩(wěn)定性成為理想ETL候選材料，但其本征缺陷（如氧空位）限制了電導率。本研究通過原子層沉積（ALD）技術(shù)制備摻鈮SnO?（SnO?:Nb）薄膜，并結(jié)合美能鈣鈦礦在線透過率測試機對ETL的透光性進行實時精確表征，確保其在可見光范圍內(nèi)透光率>85%，從而最大化鈣鈦礦層的光吸收效率（吸光度>90%）。

鈣鈦礦太陽能電池制備

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(a) n-i-p結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池示意圖；(b) S?器件（未摻雜SnO? ETL）和(c) O?器件（摻Nb SnO? ETL）的截面SEM圖像

PSC電池采用n-i-p結(jié)構(gòu)，以FTO玻璃為基底，通過ALD在100°C沉積15 nm SnO? : Nb或本征SnO?薄膜。Nb摻雜通過調(diào)整前驅(qū)體脈沖序列（O序列和S序列）和循環(huán)比（如55:1、15:1等）實現(xiàn)，摻雜量由XPS深度剖面分析確定（0-3.45 at.%）。鈣鈦礦層為Cs?.?? (MA?.???FA?.???) ?.??Pb (Br?.???I?.???)?，通過反溶劑輔助旋涂法沉積并于100°C退火。隨后沉積PTAA作為空穴傳輸層（HTL），并通過熱蒸發(fā)制備Au電極。

電學性能測試與分析

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(a) 基于SnO?:Nb和未摻雜SnO? ETL的PSC電池在反向掃描方向下的電流密度-電壓（J-V）曲線；(b) 外量子效率（EQE）及積分電流密度隨波長的變化

本征SnO? ETL器件（S?）的PCE為12.15%，而最優(yōu)SnO?:Nb ETL器件（O??）PCE達13.08%，效率提升7.65%，主要歸因于Voc（1.05→1.06 V）和Jsc（18.81 → 20.34 mA/cm2）的提升。低摻雜量（≤0.2 at.%）器件（如O??、O??）因串聯(lián)電阻降低（R?=48.35 Ω·cm2 vs. S?的62.10 Ω·cm2）和并聯(lián)電阻升高（R??=12.77 Ω·cm2 vs. S?的5.32 Ω·cm2），顯著優(yōu)化了電荷傳輸效率。高摻雜量（>0.2 at.%）器件（如S?，Nb=3.45 at.%）因FF驟降至32.70%（R?=443.67 Ω·cm2），導致PCE降至6.12%，表明過量摻雜引入界面電阻與缺陷。

鈣鈦礦層特性研究

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(a) FTO/O??/Pk半電池的頂視SEM圖像;(b)不同ETL的鈣鈦礦層XRD圖譜;(c)鈣鈦礦層的光學透射光譜

XRD與SEM表明，所有ETL上的鈣鈦礦層均呈現(xiàn)致密晶粒（尺寸60–70 nm）與（100）擇優(yōu)取向，且PbI?雜質(zhì)未在界面富集，證明ETL改性未影響鈣鈦礦結(jié)晶性。鈣鈦礦層的光吸收特性直接影響電池對太陽光譜的利用效率。通過紫外-可見-近紅外（UV-Vis-NIR）透射光譜與吸收光譜分析發(fā)現(xiàn)：

• 吸收邊位置：所有樣品在765 nm處呈現(xiàn)明顯的吸收邊，對應光學帶隙（Eg）為1.62 eV。與三元陽離子鈣鈦礦的典型帶隙一致，表明Nb摻雜未改變鈣鈦礦的體相光學性質(zhì)。
• 吸光度與透光性：在可見光范圍（400–750 nm），鈣鈦礦層的吸光度超過90%，而SnO?或SnO?:Nb ETL的透光率均>85%，表明ETL的高透明性確保了入射光充分被鈣鈦礦層吸收，減少光學損失。

載流子動力學與能帶工程

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PSC電池在光照下的阻抗譜（Nyquist圖）：(a) 短路條件（V_DC=0 V）；(b) 開路條件（V_DC=V?c）

阻抗譜分析：低Nb摻雜器件（O??）的串聯(lián)電阻（R?=48.35 Ω·cm2）低于未摻雜S?（62.10 Ω·cm2），表明載流子傳輸效率提升。

(a) 穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）光譜；(b) 瞬態(tài)光致發(fā)光（TRPL）衰減曲線；(c) 鈣鈦礦、SnO?和SnO?:Nb ETL的能帶示意圖

TRPL衰減：O??器件的載流子壽命（τ=461 ns）顯著高于S?（149 ns），表明界面非輻射復合減少。能帶對齊：Nb摻雜使SnO?導帶向鈣鈦礦導帶靠近，降低電子提取勢壘，同時抑制界面電荷積累。本研究通過原子層沉積（ALD）技術(shù)精確調(diào)控Nb摻雜濃度（≤0.2 at.%）可顯著提升SnO?:Nb ETL的電導率與能帶匹配性，從而優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的光伏性能。研究進一步揭示，SnO?:Nb ETL的高透光性（透光率>85%）確保了鈣鈦礦層對入射光的充分吸收（吸光度>90%），有效減少光學損失。

美能鈣鈦礦在線透過率測試機

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鈣鈦礦太陽能電池的在線透過率檢測設(shè)備是一種實時監(jiān)測鈣鈦礦薄膜、透明氧化玻璃或組件光學透過率的系統(tǒng)，用于優(yōu)化工藝、確保均勻性并提升電池效率。

• 精確度高：測量精度達到0.01%，能提供精確的透射比數(shù)據(jù)
• 穩(wěn)定性好：測量穩(wěn)定性＜0.1%，在重復測試10次中能夠提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，保證了測試結(jié)果的可靠性
• 高效率與自動化：大面積掃描（如0.6m×1.2m基板）可在秒級完成

本研究通過原子層沉積（ALD）技術(shù)結(jié)合美能鈣鈦礦在線透過率測試機驗證了ETL的高透光性（>85%）與均勻性，顯著提升了PSC的光伏性能。

原文參考：Innovative Nb-Doped SnO2 Electron Transport Layers Prepared byAtomic Layer Deposition for Enhanced Perovskite Solar Cells

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