通过电化学沉积方法制备的SnO?–TiO?致密层，可显著提升染料敏化太阳能电池中的载流子传输效率并有效钝化缺陷

本研究通过电化学沉积制备SnO?-TiO?复合层，显著提升染料敏化太阳能电池性能，缩短载流子传输时间至3.45ms，效率提高至6.13%。XPS和TEM分析表明Sn掺杂有效抑制Ti3?/Ti2?缺陷，形成稳定Ti??态，复合层同时实现高载流子迁移率和缺陷钝化。

　　

何英荣|陈朝楠|陈建志|黄俊杰

亚洲大学计算机科学与信息工程系，台湾台中413305。

摘要

本研究通过电化学沉积（ECD）技术制备了SnO₂–TiO₂复合层（CLs），以提高染料敏化太阳能电池（DSSCs）的光伏性能。将Sn掺入TiO? CLs中显著改善了载流子的传输，并有效钝化了TiO?的本征缺陷。X射线光电子能谱分析表明，SnO?的掺杂抑制了Ti³⁺/Ti²⁺态，增加了稳定的Ti⁴⁺比例；高分辨率透射电子显微镜（TEM）证实了复合薄膜的均匀生长。优化后的SnO?–TiO? CL将载流子传输时间从16.46毫秒缩短至3.45毫秒，开路电压衰减分析证实了电子寿命的延长，同时设备效率从4.19%提升至6.13%。电化学阻抗谱进一步表明界面电阻降低，电子收集能力增强。这些结果表明，ECD制备的SnO?–TiO? CLs兼具高导电性和缺陷钝化特性，为提升DSSC及其他光电子半导体器件的性能提供了一种经济高效且可扩展的策略。

引言

太阳能电池是一种被广泛研究和开发的绿色能源形式。目前的太阳能电池可分为硅基太阳能电池、薄膜太阳能电池、钙钛矿太阳能电池或染料敏化太阳能电池（DSSCs）。其中，DSSCs被视为第三代太阳能电池。与传统硅基太阳能电池相比，DSSCs具有更简单的制备工艺，并且在低光照室内条件下具有更高的发电效率[1]。提高DSSCs效率的策略包括优化工作电极、改进有机染料、优化电解质、优化光学结构以及制备致密层（CL）或阻挡层。例如，Süerkan等人[2]将YD₂:ZnPc₃聚合物掺入N719染料中，提高了可见光谱范围内的光吸收，使电池效率从4.64%提升至10.87%。Shital等人[3]通过调整TiO₂工作电极的孔径增加了光散射，使电池效率从3.1%提升至5.3%。Kanwal等人[2]通过堆叠多孔TiO₂和GeO₂层，并利用能级对齐抑制了载流子复合，使电池效率从4%提升至6.2%。近年来，人们从多个维度探索了提高染料敏化太阳能电池效率的策略，如敏化剂开发[4]、[5]、[6]、[7]、光阳极优化[8]、[9]以及界面工程[11]。在界面工程方面，本研究重点关注了使用钡钛酸盐或钾掺杂SnO₂等材料来抑制复合。此外，将碳基材料（如石墨烯）集成到阻挡层中也有助于提高电子收集效率。我们将ECD制备的SnO?–TiO₂ CL置于这一更广泛的界面优化背景下，展示了一种同时解决缺陷钝化和载流子传输动力学问题的方法。

用于制备DSSCs中CL的常见材料包括SnO₂ [12]、TiO₂ [13]和Nb₂O₅ [14]。特别是TiO₂具有3.2 eV的宽禁带和高的化学稳定性。由于TiO_{2》通常是DSSC工作电极的材料，因此它为CL和工作电极之间提供了良好的界面兼容性，减少了载流子传输时间[15]。SnO2也用于DSSCs，其宽禁带为3.6 eV，同时具有高的载流子迁移率[16]。其材料特性与氟掺杂二氧化锡（FTO）透明导电衬底相似，能够提高载流子迁移率，从而缩短载流子传输时间。有多种技术可用于制备CL，尤其是基于真空的沉积方法，如溅射、原子层沉积和化学气相沉积[17]。这些方法可产生高质量的薄膜，但通常伴随着较高的制备成本和较慢的沉积速率。相比之下，非真空工艺（如溶胶-凝胶[18]、液相沉积和旋涂[19]更具成本效益且沉积速度快，但可能产生质量较差的薄膜。为了解决这些问题，本研究提出了使用电化学沉积（ECD）来制备CL。尽管ECD在超级电容器、燃料电池和钒氧化还原液流电池等应用中已得到广泛研究，但其在DSSC制备中的应用仍较为有限。该方法结合了真空和非真空沉积技术的优势，通过调节沉积电流可以调控薄膜密度，因此ECD薄膜的质量可与真空沉积薄膜相媲美。作为一种化学驱动的沉积过程，ECD具有快速沉积速率、简单的操作流程以及可在室温下涂层的优点，非常适合用于制备DSSCs中的CL。}

除了使用ECD制备TiO₂ CL外，本研究还采用了掺杂策略将Sn掺入TiO₂ CL中。多种金属元素已被研究作为TiO₂的掺杂剂，包括In [20]、Cu [21]、Ag [22]、Nb [23]和Sn [25]；然而，很少有研究探讨这些掺杂剂在DSSC CL中的应用。虽然有一些研究使用不同的技术制备了Sn掺杂的TiO₂或SnO₂ CL（例如用于钙钛矿电池的共电沉积[25]或通过旋涂制备的钾掺杂SnO₂ [12]），但ECD在DSSCs中工程化SnO₂–TiO₂复合界面的具体应用仍需进一步研究。与基于真空或溶液处理的方法不同，我们的ECD策略允许在室温下在纹理化的FTO衬底上进行均匀生长。更重要的是，本研究不仅进行了简单的掺杂，还提供了关于Ti氧化态转变的定量见解，并揭示了一种独特的界面相互扩散机制，显著加速了载流子动力学。SnO₂可以补偿TiO₂中的缺陷位点，提高CL薄膜的载流子迁移率并抑制载流子复合，从而提高DSSCs的效率。本研究探讨了使用ECD制备的SnO₂–TiO₂ CL的生长机制，并利用电化学阻抗谱（EIS）分析了CL在光照和黑暗条件下的DSSC性能影响。

结果与讨论

图2展示了在不同pH值（0.8、2.0、2.3、2.5和2.7）下制备的TiO₂ CLs的表面形态扫描电子显微镜（SEM）图像。结果表明，在低pH值下，过量的氢离子在阴极处促进氢气的释放，导致FTO玻璃衬底的腐蚀（见图2(b)）。随着pH值的增加，薄膜的均匀性提高（见图2(c)–(e)）。这种均匀性的提高归因于

结论

本研究比较了使用TiO₂和SnO₂–TiO₂ CLs制备的DSSCs的光伏性能和特性。Sn的优异导电性提高了载流子的传输速率。此外，SnO₂补偿了TiO₂ CL中的缺陷，提高了整体DSSC的效率。XPS分析结果证实，SnO₂掺杂后，TiO₂ CL中的Ti原子主要以Ti³⁺和Ti²⁺缺陷态存在

CRediT作者贡献声明

何英荣：撰写初稿、进行实验研究、进行正式分析。陈朝楠：制定方法论、进行正式分析。陈建志：验证数据、整理数据。黄俊杰：撰写修订稿、项目管理、制定方法论、提出概念。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢台湾国家科学技术委员会在合同编号#113-2622-E-212-002的资助下支持了这项研究。