在光伏電池中，無(wú)機(jī)p型金屬氧化物（如MoO?和NiO?）因其天然p型特性和可調(diào)節(jié)的光學(xué)性能，顯示出作為空穴傳輸材料的潛力。然而，這類(lèi)材料的性能受其制備工藝和后續(xù)處理影響顯著，特別是結(jié)晶狀態(tài)和化學(xué)計(jì)量比的控制，是實(shí)現(xiàn)高效電荷傳輸的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。美能分光光度計(jì)利用物質(zhì)對(duì)某種波長(zhǎng)的光具有選擇性吸收的特性，來(lái)鑒別物質(zhì)或測(cè)定其含量，用于測(cè)量物質(zhì)透過(guò)率、反射率以及吸收率的檢測(cè)儀器。

本研究采用室溫反應(yīng)蒸發(fā)法在氧氣環(huán)境中制備MoO?和NiO?薄膜，并通過(guò)200°C退火處理優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。表征結(jié)果顯示，NiO?在退火后出現(xiàn)結(jié)晶而MoO?保持非晶態(tài)，薄膜均表現(xiàn)出高透光性和合適的能帶結(jié)構(gòu)?；谶@些光學(xué)與結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究進(jìn)一步通過(guò)SCAPS-1D進(jìn)行電池仿真，結(jié)果表明：將此類(lèi)氧化物作為電荷傳輸層應(yīng)用于鈣鈦礦電池時(shí)，優(yōu)化后的電池轉(zhuǎn)換效率可超過(guò)25%。通過(guò)“制備-表征-模擬”相結(jié)合的途徑，驗(yàn)證了MoO?與NiO?薄膜作為高效空穴傳輸層的可行性，為開(kāi)發(fā)新型無(wú)機(jī)電荷傳輸材料及其在高效光伏電池中的應(yīng)用提供了有效解決方案。

實(shí)驗(yàn)方法

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以TiO?、SnO?作為電子傳輸層（ETM）、MoO?、NiO?作為空穴傳輸層（HTM）的數(shù)值模擬能量轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)示意圖

薄膜制備：研究采用反應(yīng)蒸發(fā)法在潔凈玻璃基板上沉積金屬氧化物薄膜。襯底需先經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)清洗：依次用丙酮、異丙醇、去離子水去除雜質(zhì)，確保表面潔凈，沉積壓力控制在2×10?? Torr，通過(guò)調(diào)節(jié)氧氣流量，生長(zhǎng)出厚度約100納米的薄膜。沉積后在空氣中以200°C進(jìn)行退火處理。

表征與仿真：退火后的薄膜通過(guò)多種專(zhuān)業(yè)設(shè)備進(jìn)行性能表征，利用UV-Vis、XRD、SEM/EDS、XPS等多種技術(shù)對(duì)薄膜進(jìn)行表征，并基于文獻(xiàn)中的電學(xué)參數(shù)，使用SCAPS-1D軟件對(duì)電池性能進(jìn)行數(shù)值模擬。

結(jié)構(gòu)分析：結(jié)晶性差異明顯

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在2e-4 Torr沉積壓力下生長(zhǎng)的退火處理后 NiO?和 SnO?薄膜的 X 射線衍射（XRD）圖譜

XRD分析表明，經(jīng)200°C退火后，NiO?薄膜出現(xiàn)結(jié)晶，而MoO?薄膜仍保持非晶態(tài)。這種差異可能與退火過(guò)程中晶粒融合與生長(zhǎng)的機(jī)制有關(guān)。

表面成分：以氧原子為主導(dǎo)

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在2e-4 Torr沉積壓力下生長(zhǎng)的退火處理后氧化物薄膜的金屬元素 X 射線光電子能譜（XPS）圖譜

表面化學(xué)：XPS分析證實(shí)，在2×10?? Torr壓力下沉積的薄膜呈現(xiàn)金屬貧乏的特征，表明薄膜中存在豐富的氧。

光學(xué)性能：高透光率適配多場(chǎng)景

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在2e-4 Torr沉積壓力下生長(zhǎng)的退火處理后氧化物薄膜的透光率圖譜

UV-Vis測(cè)試顯示，薄膜在可見(jiàn)光區(qū)（300-850 nm）的透光率介于60%至80%之間，這與其富氧的特性相符，使其非常適合作為光窗層和載流子傳輸層。

電池性能：效率潛力顯著

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通過(guò)數(shù)值模擬得到的采用（左）TiO?（右）SnO?作為ETM與不同HTM的電池光電轉(zhuǎn)換效率測(cè)試圖譜

電池模擬：數(shù)值模擬結(jié)果顯示，通過(guò)優(yōu)化電子傳輸層（TiO?/SnO?）和空穴傳輸層（MoO?/NiO?）的厚度與帶隙，基于鈣鈦礦吸收層的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率有望超過(guò)25%。

本研究證實(shí)，通過(guò)反應(yīng)蒸發(fā)并結(jié)合低溫退火工藝制備的p型金屬氧化物薄膜，具備優(yōu)異的光電特性，可作為高效的空穴傳輸材料。數(shù)值模擬預(yù)測(cè)其能實(shí)現(xiàn)25%以上的轉(zhuǎn)換效率，為開(kāi)發(fā)低成本、高性能的光伏電池提供了明確的實(shí)驗(yàn)方向與理論依據(jù)。

美能分光光度計(jì)

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美能分光光度計(jì)是一款用于測(cè)量物質(zhì)透過(guò)率、反射率以及吸收率的檢測(cè)儀器，它的基本原理是利用物質(zhì)對(duì)某種波長(zhǎng)的光具有選擇性吸收的特性，來(lái)鑒別物質(zhì)或測(cè)定其含量。

反射率測(cè)試：通過(guò)測(cè)量樣品表面的反射光強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)反射板的反射光強(qiáng)度的比值，來(lái)計(jì)算樣品的反射率

透過(guò)率測(cè)試：通過(guò)測(cè)量穿過(guò)樣品的光強(qiáng)度與參比（空白）光強(qiáng)度的比值，來(lái)計(jì)算樣品的透射率

光源波長(zhǎng)范圍：190－2800nm

測(cè)試波長(zhǎng)范圍：280-2500nm

美能分光光度計(jì)在300-850nm 范圍，測(cè) MoO?、NiO?等薄膜透光率（60%-80%），結(jié)合吸收系數(shù)算電子帶隙（MoO?3.48eV、NiO?3.22eV），數(shù)據(jù)供 SCAPS-1D 仿真，支撐電池效率超 25% 結(jié)論，驗(yàn)證薄膜適配光伏HTM。

#無(wú)機(jī)p型金屬氧化物#空穴傳輸材料#室溫反應(yīng)蒸發(fā)法

原文參考：Alternative p-type metal oxide films as hole transport materials for photovoltaic devices

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