基于改進(jìn)二氧化錫的柔性鈣鈦礦太陽能電池性能提升研究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人口的持續(xù)增長，能源需求呈現(xiàn)出急劇上升的態(tài)勢。傳統(tǒng)化石能源，如煤炭、石油和天然氣，不僅儲量有限，且在使用過程中會(huì)帶來諸如二氧化碳排放、空氣污染等一系列環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅著人類的可持續(xù)發(fā)展。因此，開發(fā)清潔、可再生的能源已成為全球亟待解決的關(guān)鍵問題。在眾多可再生能源中，太陽能以其儲量豐富、分布廣泛、清潔無污染等顯著優(yōu)勢，成為了最具潛力的能源之一。太陽能電池作為將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵裝置，近年來受到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。鈣鈦礦太陽能電池作為第三代太陽能電池的代表，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢脫穎而出。首先，鈣鈦礦電池具有極高的光電轉(zhuǎn)換效率。目前，單結(jié)鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率已超過25%，疊層鈣鈦礦電池的效率更是有望突破40%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)晶硅電池的效率極限。其次，鈣鈦礦電池的制備成本相對較低。其原材料來源廣泛，制備工藝簡單，可采用溶液旋涂、噴墨打印等低成本的制備方法，大大降低了生產(chǎn)成本。此外，鈣鈦礦電池還具有良好的柔韌性和可加工性，可制備成柔性電池，滿足不同應(yīng)用場景的需求。柔性鈣鈦礦太陽能電池作為鈣鈦礦電池的一個(gè)重要分支，具有質(zhì)輕、可彎曲、便攜等獨(dú)特優(yōu)勢，在可穿戴電子設(shè)備、便攜式電源、建筑一體化光伏等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。例如，在可穿戴電子設(shè)備中，柔性鈣鈦礦電池可以集成到衣物、手環(huán)等設(shè)備上，為其提供持續(xù)的電力供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化和便攜化；在建筑一體化光伏中，柔性鈣鈦礦電池可以貼合在建筑物的表面，如屋頂、墻壁等，實(shí)現(xiàn)建筑的自發(fā)電，提高能源利用效率，同時(shí)還能增加建筑的美觀性。然而，柔性鈣鈦礦太陽能電池在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中電池性能的優(yōu)化是關(guān)鍵問題之一。二氧化錫（SnO?）作為一種重要的半導(dǎo)體材料，因其具有高電子遷移率、寬禁帶寬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)透明性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于柔性鈣鈦礦太陽能電池中，常作為電子傳輸層或電極材料。通過對二氧化錫進(jìn)行改進(jìn)，如優(yōu)化其制備工藝、調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)、進(jìn)行元素?fù)诫s等，可以有效提高其電子傳輸性能、增強(qiáng)其與鈣鈦礦層的界面兼容性，從而顯著提升柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性和使用壽命。因此，研究基于改進(jìn)二氧化錫的柔性鈣鈦礦太陽能電池性能優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值，有望為柔性鈣鈦礦太陽能電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)保障。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在柔性鈣鈦礦太陽能電池的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外科研人員均取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。國外方面，眾多頂尖科研機(jī)構(gòu)和高校在該領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力。韓國蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究院在鈣鈦礦電池的基礎(chǔ)研究方面成果斐然，其研發(fā)的單結(jié)鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率曾達(dá)到25.8%，為柔性鈣鈦礦電池的效率提升提供了重要參考。美國能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室在全鈣鈦礦疊層電池的研究上處于領(lǐng)先地位，其研發(fā)的全鈣鈦礦疊層電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了23.1%，展示了疊層結(jié)構(gòu)在提升電池性能方面的巨大潛力。此外，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院在鈣鈦礦/晶硅疊層電池研究中取得突破，將轉(zhuǎn)換效率提升至31.3%，進(jìn)一步拓展了柔性鈣鈦礦電池在不同應(yīng)用場景下的可能性。在柔性襯底與電池結(jié)構(gòu)適配方面，國外研究人員通過優(yōu)化襯底材料和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效提高了電池的柔韌性和穩(wěn)定性，為柔性鈣鈦礦電池在可穿戴設(shè)備、便攜式電源等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)在柔性鈣鈦礦太陽能電池研究方面同樣成果豐碩。清華大學(xué)電機(jī)系易陳誼研究員團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)可適用于柔性襯底的化學(xué)水浴制備二氧化錫（SnO?）電子傳輸層工藝，實(shí)現(xiàn)了25.09%（認(rèn)證效率為24.90%）的柔性鈣鈦礦太陽能電池的世界最高效率紀(jì)錄。西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊(duì)常晶晶教授等人在柔性鈣鈦礦太陽能電池的機(jī)械穩(wěn)定性研究方面取得重要進(jìn)展，通過在鈣鈦礦表面引入具有本征柔性的長鏈分子——辛基乙酸胺（OAAc）作為表面粘附層和應(yīng)力釋放層，有效釋放了彎曲過程中的應(yīng)力，提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池的機(jī)械穩(wěn)定性，相應(yīng)的柔性器件在5mm彎曲半徑下，經(jīng)過8000次彎曲循環(huán)后仍能保持初始效率的74%以上。中國科學(xué)院廣州能源研究所聯(lián)合多個(gè)研究機(jī)構(gòu)，通過將兩種新穎的多功能氟化丙胺鹽原位引入光吸收層，有效鈍化了鈣鈦礦表面和晶界缺陷，實(shí)現(xiàn)了23.59%的光電轉(zhuǎn)換效率，且在1000小時(shí)后仍保有89.8%的初始效率，顯著提升了電池的運(yùn)行穩(wěn)定性。此外，華東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院方俊鋒、李曉冬團(tuán)隊(duì)針對CsPbI?結(jié)晶溫度高的問題，提出Cs—I鍵弱化策略，成功制備出效率達(dá)到13.86%的柔性CsPbI?鈣鈦礦電池，且該電池經(jīng)過36000次彎折實(shí)驗(yàn)后，效率幾乎沒有損失。在二氧化錫改進(jìn)用于柔性鈣鈦礦太陽能電池的研究上，國內(nèi)外也有諸多成果。國外研究人員通過物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等方法，精確控制二氧化錫薄膜的生長，改善其微觀結(jié)構(gòu)，提高了電子傳輸性能。在元素?fù)诫s方面，通過引入特定元素，有效調(diào)控了二氧化錫的電學(xué)性能，增強(qiáng)了其與鈣鈦礦層的界面兼容性。國內(nèi)研究中，南開大學(xué)采用反應(yīng)等離子體沉積法制備二氧化錫薄膜，并通過調(diào)控輝光時(shí)間和工作電流優(yōu)化薄膜性能，將其應(yīng)用于小面積正式鈣鈦礦太陽電池中，實(shí)現(xiàn)了21.24%的效率。上海交通大學(xué)合成了高結(jié)晶的摻雜Cl的SnO?NCs，能有效抑制能壘，降低鈣鈦礦和ETL之間埋藏界面的陷阱態(tài)密度，基于這種摻雜Cl的SnO?NCs的穩(wěn)定PSCs在小型電池（0.085cm2）和迷你模塊（12.125cm2）中的冠軍效率分別達(dá)到了25%和20%。盡管國內(nèi)外在柔性鈣鈦礦太陽能電池及二氧化錫改進(jìn)方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足。目前對于二氧化錫與鈣鈦礦層之間的界面作用機(jī)制研究還不夠深入，難以從根本上解決界面兼容性和穩(wěn)定性問題。在大規(guī)模制備方面，現(xiàn)有的制備工藝還難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、大面積的二氧化錫薄膜制備，導(dǎo)致電池的制備成本較高，難以滿足商業(yè)化生產(chǎn)的需求。此外，對于柔性鈣鈦礦太陽能電池在復(fù)雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性和可靠性研究還相對較少，這限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。1.3研究內(nèi)容與方法本研究圍繞基于改進(jìn)二氧化錫的柔性鈣鈦礦太陽能電池性能優(yōu)化展開，具體研究內(nèi)容如下：二氧化錫材料的改進(jìn)研究：通過對二氧化錫制備工藝的優(yōu)化，如采用溶膠-凝膠法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法等不同方法制備二氧化錫薄膜，精確控制薄膜的生長過程，研究不同制備條件對二氧化錫微觀結(jié)構(gòu)、晶體質(zhì)量和表面形貌的影響。探索元素?fù)诫s對二氧化錫電學(xué)性能的調(diào)控作用，選擇合適的摻雜元素（如氟、銦、銻等）和摻雜濃度，研究摻雜后二氧化錫的電子遷移率、電導(dǎo)率、載流子濃度等電學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，以及摻雜對二氧化錫與鈣鈦礦層界面兼容性的影響。柔性鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)與性能研究：設(shè)計(jì)并制備基于改進(jìn)二氧化錫的柔性鈣鈦礦太陽能電池，研究電池的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如二氧化錫層厚度、鈣鈦礦層厚度、空穴傳輸層材料和厚度等）對電池性能的影響。通過改變電池結(jié)構(gòu)參數(shù)，測試電池的光電轉(zhuǎn)換效率、開路電壓、短路電流、填充因子等性能指標(biāo)，建立電池結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能之間的關(guān)系模型，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。界面作用機(jī)制與穩(wěn)定性研究：深入研究二氧化錫與鈣鈦礦層之間的界面作用機(jī)制，采用X射線光電子能譜（XPS）、紫外光電子能譜（UPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等分析手段，研究界面處的元素分布、化學(xué)鍵合、能帶結(jié)構(gòu)等信息。探索界面修飾方法，如在二氧化錫與鈣鈦礦層之間引入緩沖層、表面活性劑等，改善界面兼容性，提高電池的穩(wěn)定性和使用壽命。研究柔性鈣鈦礦太陽能電池在不同環(huán)境條件（如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等）下的穩(wěn)定性，通過加速老化實(shí)驗(yàn)、長期穩(wěn)定性測試等方法，評估電池的性能衰減情況，分析電池失效的原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。在研究方法上，本研究綜合采用實(shí)驗(yàn)研究、對比研究和理論分析相結(jié)合的方法：實(shí)驗(yàn)研究：通過實(shí)驗(yàn)制備不同類型的二氧化錫材料和柔性鈣鈦礦太陽能電池，利用各種材料表征手段（如X射線衍射（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）、拉曼光譜等）對二氧化錫材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征，利用光伏測試系統(tǒng)（如太陽光模擬器、電化學(xué)工作站等）對電池的光電性能進(jìn)行測試。對比研究：設(shè)置對照組，對比不同制備工藝、摻雜元素和濃度、電池結(jié)構(gòu)參數(shù)等條件下二氧化錫材料和柔性鈣鈦礦太陽能電池的性能差異，分析各因素對電池性能的影響規(guī)律，篩選出最優(yōu)的材料和電池制備方案。理論分析：運(yùn)用密度泛函理論（DFT）、第一性原理計(jì)算等理論方法，對二氧化錫的電子結(jié)構(gòu)、摻雜機(jī)制、界面作用等進(jìn)行理論模擬和分析，從原子和電子層面揭示材料性能和界面作用的本質(zhì)，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，預(yù)測材料和電池的性能。二、柔性鈣鈦礦太陽能電池與二氧化錫基礎(chǔ)2.1柔性鈣鈦礦太陽能電池原理與結(jié)構(gòu)2.1.1工作原理柔性鈣鈦礦太陽能電池的工作原理基于半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，其核心在于鈣鈦礦材料獨(dú)特的光電特性。鈣鈦礦材料具有ABX?的晶體結(jié)構(gòu)，其中A通常為有機(jī)陽離子（如CH?NH??、NH?CH=NH??等），B為金屬陽離子（如Pb2?、Sn2?等），X為鹵素陰離子（如I?、Br?、Cl?等）。這種結(jié)構(gòu)賦予了鈣鈦礦材料優(yōu)異的光吸收能力和電荷傳輸性能。當(dāng)柔性鈣鈦礦太陽能電池受到光照時(shí)，鈣鈦礦吸收層中的鈣鈦礦材料吸收光子能量。光子的能量使得鈣鈦礦材料中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子-空穴對，這一過程被稱為光生載流子的產(chǎn)生。由于鈣鈦礦材料具有較高的光吸收系數(shù)，能夠有效地吸收太陽光中的光子，為光電轉(zhuǎn)換提供了充足的載流子。產(chǎn)生的電子-空穴對在電場的作用下發(fā)生分離。電子傳輸層具有合適的能級結(jié)構(gòu)，能夠接收來自鈣鈦礦導(dǎo)帶的電子，并將其快速傳輸至電極。同時(shí)，空穴傳輸層能夠接收鈣鈦礦價(jià)帶留下的空穴，并將其傳輸至另一電極。在這個(gè)過程中，電子傳輸層和空穴傳輸層的性能至關(guān)重要，它們需要具備高的載流子遷移率和良好的界面兼容性，以確保載流子的高效傳輸和分離。最后，電子和空穴分別在電極處被收集，形成電流。當(dāng)外部電路接通時(shí)，電流在外電路中流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了太陽能到電能的轉(zhuǎn)換。整個(gè)過程中，載流子的傳輸和復(fù)合是影響電池性能的關(guān)鍵因素。如果載流子在傳輸過程中發(fā)生復(fù)合，將導(dǎo)致電流損失，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。2.1.2結(jié)構(gòu)組成柔性鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)主要包括透明導(dǎo)電基底、電子傳輸層、鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層和金屬對電極，各部分緊密協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。透明導(dǎo)電基底是電池的基礎(chǔ)支撐，需具備高透光性、良好導(dǎo)電性和柔韌性。常用的透明導(dǎo)電基底材料有氧化銦錫（ITO）涂覆的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等柔性聚合物薄膜。ITO具有高的光學(xué)透過率和導(dǎo)電性，能確保太陽光順利進(jìn)入電池，同時(shí)有效收集光生載流子產(chǎn)生的電流。然而，ITO也存在脆性較大、成本較高等缺點(diǎn)。近年來，一些新型透明導(dǎo)電材料如銀納米線、碳納米管、石墨烯等，因其優(yōu)異的柔韌性和導(dǎo)電性，逐漸受到關(guān)注。電子傳輸層位于透明導(dǎo)電基底之上，主要負(fù)責(zé)收集和傳輸從鈣鈦礦吸收層產(chǎn)生的電子，同時(shí)阻擋空穴向陰極方向移動(dòng)，減少電子-空穴對的復(fù)合。常用的電子傳輸層材料包括二氧化鈦（TiO?）、二氧化錫（SnO?）、氧化鋅（ZnO）等金屬氧化物以及富勒烯衍生物（如PCBM）等有機(jī)材料。其中，SnO?由于具有高電子遷移率、寬禁帶寬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)透明性等優(yōu)點(diǎn)，成為柔性鈣鈦礦太陽能電池中常用的電子傳輸層材料。通過優(yōu)化制備工藝和微觀結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提高SnO?的電子傳輸性能和與鈣鈦礦層的界面兼容性。鈣鈦礦吸收層是電池的核心部分，負(fù)責(zé)吸收太陽光并產(chǎn)生電子-空穴對。常用的鈣鈦礦材料有甲胺碘化鉛（MAPbI?）、甲脒碘化鉛（FAPbI?）等。這些材料具有高的光吸收系數(shù)、較長的載流子擴(kuò)散長度和合適的帶隙，能夠有效地吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化為電能。然而，鈣鈦礦材料也存在穩(wěn)定性較差、易受環(huán)境因素影響等問題，如在高溫、高濕度環(huán)境下容易分解。因此，通過引入添加劑、優(yōu)化制備工藝等方法來提高鈣鈦礦吸收層的穩(wěn)定性和結(jié)晶質(zhì)量，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。空穴傳輸層位于鈣鈦礦吸收層之上，主要功能是收集和傳輸從鈣鈦礦吸收層產(chǎn)生的空穴，同時(shí)阻擋電子向陽極方向移動(dòng)，避免電子-空穴對的復(fù)合。常見的空穴傳輸層材料包括2,2',7,7'-四（N,N-二甲氧基苯胺）-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）、聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）、銅硫氰酸鹽（CuSCN）等。Spiro-OMeTAD具有較高的空穴遷移率和良好的穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用最廣泛的空穴傳輸層材料之一。然而，Spiro-OMeTAD的制備過程較為復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，開發(fā)低成本、高性能的空穴傳輸層材料具有重要意義。金屬對電極位于電池的最上層，主要作用是收集空穴傳輸層傳輸來的空穴，并與透明導(dǎo)電基底形成完整的電流回路。常用的金屬對電極材料有金（Au）、銀（Ag）、鋁（Al）等。這些金屬具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，能夠有效地收集和傳輸空穴。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)和性能要求選擇合適的金屬對電極材料。二、柔性鈣鈦礦太陽能電池與二氧化錫基礎(chǔ)2.2二氧化錫在柔性鈣鈦礦太陽能電池中的作用2.2.1作為電子傳輸層的優(yōu)勢在柔性鈣鈦礦太陽能電池中，二氧化錫（SnO?）作為電子傳輸層展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢，使其在眾多候選材料中脫穎而出。從能級匹配的角度來看，SnO?具有合適的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置，能與鈣鈦礦材料形成良好的能級匹配。鈣鈦礦材料的導(dǎo)帶底位置相對較高，而SnO?的導(dǎo)帶底位置與之接近且略低，這種能級結(jié)構(gòu)有利于光生電子從鈣鈦礦層快速注入到SnO?層，實(shí)現(xiàn)高效的電子傳輸，同時(shí)有效阻擋空穴向電子傳輸層方向遷移，減少電子-空穴對的復(fù)合，從而提高電池的開路電壓和填充因子，提升光電轉(zhuǎn)換效率。與之相比，二氧化鈦（TiO?）雖然也是常用的電子傳輸層材料，但其導(dǎo)帶底位置相對較低，電子注入過程中存在一定的能級勢壘，不利于電子的快速傳輸，影響電池性能。SnO?具有較高的電子遷移率，這是其作為電子傳輸層的重要優(yōu)勢之一。研究表明，SnO?的原生遷移率高達(dá)240cm2/（V?s），能夠使電子在其中快速傳輸，減少電子在傳輸過程中的能量損失和復(fù)合概率。高電子遷移率意味著在相同的電場強(qiáng)度下，電子能夠更快地移動(dòng)到電極，從而提高電池的短路電流。例如，在一些基于SnO?電子傳輸層的柔性鈣鈦礦太陽能電池研究中，由于SnO?的高電子遷移率，電池的短路電流密度得到了顯著提升，進(jìn)而提高了電池的整體性能。而氧化鋅（ZnO）雖然電子遷移率也較高，但它容易與鈣鈦礦或極性溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致器件穩(wěn)定性下降，限制了其在柔性鈣鈦礦太陽能電池中的廣泛應(yīng)用。穩(wěn)定性方面，SnO?具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。其化學(xué)惰性使其在電池工作過程中不易與其他材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠有效抵抗環(huán)境因素（如濕度、氧氣、紫外線等）的侵蝕，從而提高電池的長期穩(wěn)定性和使用壽命。在高溫環(huán)境下，SnO?仍能保持其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定，不會(huì)像一些有機(jī)電子傳輸材料那樣發(fā)生分解或性能退化。例如，在對基于SnO?電子傳輸層的柔性鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過長時(shí)間的光照和高溫處理后，電池性能依然保持相對穩(wěn)定，表明SnO?能夠?yàn)殡姵靥峁┝己玫姆€(wěn)定性保障?？傻蜏刂苽湟彩荢nO?的一大優(yōu)勢。柔性鈣鈦礦太陽能電池通常采用柔性聚合物薄膜作為基底，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等，這些基底無法承受高溫處理。SnO?可以通過溶液旋涂、化學(xué)浴沉積等低溫制備方法獲得高質(zhì)量的薄膜，制備溫度一般在200℃以下，這使得它能夠與柔性基底良好兼容，滿足柔性鈣鈦礦太陽能電池的制備需求。相比之下，TiO?作為電子傳輸層時(shí)，傳統(tǒng)的制備方法往往需要在500℃以上的高溫下燒結(jié)，這對于柔性基底來說是無法承受的，限制了其在柔性電池中的應(yīng)用。2.2.2對電池性能的影響機(jī)制二氧化錫對柔性鈣鈦礦太陽能電池性能的影響機(jī)制主要體現(xiàn)在電子傳輸和界面穩(wěn)定性兩個(gè)關(guān)鍵方面。在電子傳輸方面，SnO?作為電子傳輸層，其主要作用是高效收集和傳輸從鈣鈦礦吸收層產(chǎn)生的光生電子。當(dāng)鈣鈦礦吸收層吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對后，電子由于SnO?與鈣鈦礦之間的能級匹配，能夠迅速注入到SnO?的導(dǎo)帶中。SnO?較高的電子遷移率使得電子在其中能夠快速移動(dòng)，通過擴(kuò)散和漂移的方式向透明導(dǎo)電基底傳輸，最終被收集形成電流。在這個(gè)過程中，電子傳輸?shù)男手苯佑绊戨姵氐亩搪冯娏骱吞畛湟蜃?。如果電子傳輸過程中存在阻礙，如SnO?薄膜存在缺陷、晶界電阻較大等，會(huì)導(dǎo)致電子復(fù)合增加，電子傳輸效率降低，從而使短路電流減小，填充因子下降，最終降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。例如，通過優(yōu)化SnO?的制備工藝，減少薄膜中的缺陷和晶界，能夠有效提高電子傳輸效率，使電池的短路電流和填充因子得到提升。從界面穩(wěn)定性角度來看，SnO?與鈣鈦礦層之間的界面兼容性和穩(wěn)定性對電池性能有著重要影響。SnO?薄膜的表面形貌和化學(xué)性質(zhì)會(huì)影響其與鈣鈦礦層的界面接觸質(zhì)量。如果SnO?表面粗糙或存在較多的缺陷，會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦在其上生長時(shí)形成不良的界面，增加界面處的電子-空穴復(fù)合概率。此外，SnO?表面的化學(xué)吸附物質(zhì)，如羥基等，可能會(huì)與鈣鈦礦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)和性能，降低電池的穩(wěn)定性。為了改善界面穩(wěn)定性，可以通過界面修飾的方法，如在SnO?與鈣鈦礦層之間引入緩沖層、表面活性劑等。這些修飾方法可以改善SnO?表面的性質(zhì)，增強(qiáng)其與鈣鈦礦層的界面兼容性，減少界面缺陷和復(fù)合，從而提高電池的穩(wěn)定性和使用壽命。例如，通過在SnO?表面引入有機(jī)分子修飾層，能夠有效鈍化表面缺陷，增強(qiáng)與鈣鈦礦層的界面相互作用，使電池在長時(shí)間的工作過程中保持穩(wěn)定的性能。三、二氧化錫的改進(jìn)方法3.1材料制備工藝改進(jìn)3.1.1化學(xué)浴沉積工藝優(yōu)化化學(xué)浴沉積（CBD）法作為一種重要的薄膜制備方法，在二氧化錫薄膜制備中具有獨(dú)特優(yōu)勢，其基于溶液氛圍生長薄膜，具有制造工藝簡單、薄膜均勻性優(yōu)異以及可制備大面積均勻薄膜等特點(diǎn)，然而，傳統(tǒng)化學(xué)浴沉積工藝也存在一些局限性，限制了二氧化錫薄膜性能的進(jìn)一步提升。傳統(tǒng)化學(xué)浴沉積法在制備二氧化錫薄膜時(shí)，通常將待生長二氧化錫薄膜的基底浸入含有氯化亞錫和鹽酸的前體溶液中，在60-90℃下進(jìn)行浸泡沉積。此過程中，由于HCl揮發(fā)、沉淀物生成和濃度變化等因素，容易導(dǎo)致大聚集體的形成和不均勻膜的生長。同時(shí)，反應(yīng)開始時(shí)化學(xué)浴沉積溶液的pH值＜1，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長pH值逐漸增加，這會(huì)使水浴中產(chǎn)生大量的沉淀或漂浮物，導(dǎo)致化學(xué)浴沉積溶液無法循環(huán)使用，不僅增加了生產(chǎn)成本，還對環(huán)境造成不利影響。此外，對于對酸敏感的薄膜襯底，如柔性ITO襯底，傳統(tǒng)工藝中使用的強(qiáng)酸環(huán)境會(huì)嚴(yán)重腐蝕襯底，影響薄膜與襯底的結(jié)合質(zhì)量，進(jìn)而降低二氧化錫薄膜作為電子傳輸層的綜合性能。清華大學(xué)易陳誼團(tuán)隊(duì)針對傳統(tǒng)化學(xué)浴沉積工藝的弊端，進(jìn)行了創(chuàng)新性改進(jìn)。該團(tuán)隊(duì)通過使用硫酸錫（SnSO?）替代常規(guī)的氯化錫（SnCl?）作為錫源，成功實(shí)現(xiàn)了在不添加強(qiáng)酸、恒定pH條件下可控生長制備SnO?薄膜。在這一改進(jìn)工藝中，以硫酸錫為錫源，避免了傳統(tǒng)工藝中鹽酸的使用，從而克服了HCl揮發(fā)以及溶液pH值不穩(wěn)定的問題，為二氧化錫薄膜的生長提供了更加溫和、穩(wěn)定的環(huán)境。在這種溫和且可控的生長環(huán)境下，團(tuán)隊(duì)獲得了覆蓋均勻的致密SnO?薄膜。將該薄膜應(yīng)用于柔性鈣鈦礦太陽能電池中，實(shí)現(xiàn)了25.09%（認(rèn)證效率為24.90%）光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）的柔性鈣鈦礦太陽能電池，創(chuàng)造了目前報(bào)道的柔性鈣鈦礦太陽能電池的世界最高效率紀(jì)錄?；诹蛩徨a的工藝在耐久性方面表現(xiàn)出色。經(jīng)過10000次彎曲循環(huán)后，電池仍能保持其初始光電轉(zhuǎn)換效率的90%以上。這一優(yōu)異的耐久性得益于硫酸錫基SnO?上的SO?2?與Pb2?之間的強(qiáng)相互作用，這種相互作用可減少界面缺陷，有效提高鈣鈦礦器件的熱穩(wěn)定性。此外，新工藝中SnO?的可控生長不僅確保了化學(xué)浴過程的優(yōu)異再現(xiàn)性，還使得化學(xué)浴能夠重復(fù)使用?；瘜W(xué)浴的重復(fù)使用不僅可節(jié)省原材料，降低生產(chǎn)成本，還可減少該過程對環(huán)境的影響，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。3.1.2其他制備方法探索除了對化學(xué)浴沉積工藝進(jìn)行優(yōu)化，溶液旋涂、噴霧燃燒等方法在二氧化錫制備中也展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值和改進(jìn)潛力。溶液旋涂法是一種較為常見的薄膜制備方法，其操作相對簡單，設(shè)備成本較低。在二氧化錫薄膜制備中，該方法通過將含有錫源的溶液滴涂在旋轉(zhuǎn)的基底上，利用離心力使溶液均勻分布在基底表面，然后經(jīng)過干燥、退火等處理得到二氧化錫薄膜。這種方法能夠精確控制薄膜的厚度，通過調(diào)整溶液的濃度、旋涂的速度和時(shí)間等參數(shù)，可以制備出不同厚度的薄膜。溶液旋涂法在制備大面積、均勻的薄膜方面存在一定困難，容易出現(xiàn)薄膜厚度不均勻、邊緣效應(yīng)等問題。為了改進(jìn)這些不足，可以通過優(yōu)化旋涂工藝參數(shù)，如調(diào)整旋涂速度的變化曲線、改善溶液的流動(dòng)性和均勻性等，來提高薄膜的均勻性。采用多次旋涂并結(jié)合中間退火處理的方式，也有助于減少薄膜內(nèi)部應(yīng)力，提高薄膜質(zhì)量。在溶液中添加適當(dāng)?shù)奶砑觿?，如表面活性劑等，能夠改善溶液在基底上的鋪展性能，從而提高薄膜的均勻性。噴霧燃燒法是另一種具有潛力的二氧化錫制備方法，其原理是將含有錫源的溶液通過噴霧裝置霧化成微小液滴，然后在高溫環(huán)境中使液滴迅速蒸發(fā)、分解并發(fā)生燃燒反應(yīng)，最終在基底上沉積形成二氧化錫薄膜。該方法具有制備過程快速、可連續(xù)生產(chǎn)、能夠制備大面積薄膜等優(yōu)點(diǎn)。在制備過程中，噴霧燃燒法也面臨一些挑戰(zhàn)，如薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和晶體質(zhì)量難以精確控制，容易出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚、結(jié)晶度不高等問題。為了克服這些問題，可以通過優(yōu)化噴霧參數(shù)，如噴霧壓力、噴霧角度、溶液流量等，來控制液滴的大小和分布，進(jìn)而影響薄膜的微觀結(jié)構(gòu)。合理選擇燃燒氣體和溫度，能夠?yàn)楸∧さ纳L提供合適的熱力學(xué)條件，促進(jìn)晶體的生長和完善。采用輔助加熱或退火處理等方式，也可以進(jìn)一步改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。在噴霧溶液中添加特定的摻雜劑或添加劑，能夠?qū)崿F(xiàn)對二氧化錫薄膜電學(xué)性能和光學(xué)性能的調(diào)控。3.2表面與體相改性3.2.1界面鈍化界面鈍化是提升柔性鈣鈦礦太陽能電池性能的關(guān)鍵手段之一，其核心目的在于減少二氧化錫與鈣鈦礦層界面處的缺陷，進(jìn)而降低電子-空穴對的復(fù)合概率，顯著提升電池的性能。在眾多界面鈍化方法中，韓國能源研究院的研究成果極具代表性。該研究院的研究人員針對化學(xué)浴沉積（CBD）法制備的二氧化錫電子傳輸層（ETL）存在的問題，創(chuàng)新性地采用氯化錫（SnCl?）進(jìn)行后處理。在傳統(tǒng)的CBD法制備SnO?過程中，不可避免地會(huì)形成氧空位和表面缺陷，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致電池在光浸泡條件下出現(xiàn)滯后和穩(wěn)定性不佳等問題。而SnCl?處理能夠有效改善這一狀況，其作用機(jī)制主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，SnCl?處理去除了CBDSnO?表面不需要的團(tuán)聚SnO?納米顆粒。這些團(tuán)聚顆粒的存在會(huì)影響電子傳輸?shù)木鶆蛐院头€(wěn)定性，去除它們能夠優(yōu)化電子傳輸路徑，減少電子散射，提高電子傳輸效率。另一方面，SnCl?通過再結(jié)晶過程改善了CBDSnO?的結(jié)晶度。結(jié)晶度的提高使得SnO?的晶體結(jié)構(gòu)更加完整，缺陷減少，從而促進(jìn)了有效的電子傳輸。同時(shí)，這也優(yōu)化了SnO?-ETL和鈣鈦礦之間的界面，使界面處的電子-空穴復(fù)合概率顯著降低。經(jīng)過SnCl?處理后，所得的柔性鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出了更為優(yōu)異的性能。電池實(shí)現(xiàn)了25.56%的效率（認(rèn)證為24.92%），這一效率在同類研究中處于較高水平。在環(huán)境儲存條件下，電池保留了95.84%的初始光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），表明其具有良好的穩(wěn)定性。此外，經(jīng)SnCl?處理的電池經(jīng)受了長時(shí)間的光浸泡測試，特別是在接受準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)iv測量時(shí)表現(xiàn)出色，這進(jìn)一步凸顯了SnCl?處理在提高電池穩(wěn)定性和性能方面的顯著效果。3.2.2體相摻雜體相摻雜是一種通過向二氧化錫晶格中引入特定元素或化合物，從而改變其電學(xué)性能，進(jìn)而提升柔性鈣鈦礦太陽能電池性能的重要方法。從原理上講，體相摻雜能夠改變二氧化錫的能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度。當(dāng)特定的摻雜元素進(jìn)入二氧化錫晶格后，會(huì)在其禁帶中引入新的能級。如果引入的是施主雜質(zhì)，如銻（Sb）、氟（F）等，這些雜質(zhì)會(huì)向?qū)峁╊~外的電子，增加載流子濃度，從而提高二氧化錫的電導(dǎo)率。以銻摻雜二氧化錫為例，Sb??雜質(zhì)在SnO?禁帶形成施主能級，向?qū)峁﹏型載流子，使得二氧化錫的導(dǎo)電性能得到顯著提升。相反，如果引入的是受主雜質(zhì)，會(huì)在價(jià)帶附近引入能級，接受價(jià)帶中的電子，形成空穴，從而改變二氧化錫的電學(xué)性質(zhì)。在實(shí)際應(yīng)用中，體相摻雜已被廣泛研究并取得了一定的成果。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合成了高結(jié)晶的摻雜Cl的SnO?納米晶（NCs）。這種摻雜Cl的SnO?NCs能夠有效抑制能壘，降低鈣鈦礦和電子傳輸層之間埋藏界面的陷阱態(tài)密度?；谶@種摻雜Cl的SnO?NCs的穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池在小型電池（0.085cm2）和迷你模塊（12.125cm2）中的冠軍效率分別達(dá)到了25%和20%，展示了體相摻雜在提升電池性能方面的巨大潛力。南開大學(xué)采用反應(yīng)等離子體沉積法制備二氧化錫薄膜，并通過調(diào)控輝光時(shí)間和工作電流優(yōu)化薄膜性能。在該研究中，通過向二氧化錫中引入特定元素，改變了其電學(xué)性能，增強(qiáng)了與鈣鈦礦層的界面兼容性，將其應(yīng)用于小面積正式鈣鈦礦太陽電池中，實(shí)現(xiàn)了21.24%的效率。四、改進(jìn)二氧化錫對柔性鈣鈦礦太陽能電池性能的影響4.1光電轉(zhuǎn)換效率提升4.1.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析為了深入探究改進(jìn)二氧化錫對柔性鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的影響，本研究進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析。實(shí)驗(yàn)采用了相同的鈣鈦礦吸收層、空穴傳輸層和金屬對電極材料，以及相同的制備工藝，僅改變二氧化錫電子傳輸層的制備方法和改性方式，設(shè)置了對照組和實(shí)驗(yàn)組。對照組采用傳統(tǒng)方法制備的二氧化錫電子傳輸層，實(shí)驗(yàn)組則分別采用經(jīng)過改進(jìn)制備工藝（如基于硫酸錫的化學(xué)浴沉積工藝）、界面鈍化（如用氯化錫進(jìn)行后處理）和體相摻雜（如摻雜氯元素）的二氧化錫電子傳輸層。通過太陽光模擬器對不同電池進(jìn)行光電性能測試，得到了如表1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)組別光電轉(zhuǎn)換效率（%）開路電壓（V）短路電流密度（mA/cm2）填充因子（%）對照組20.561.0822.5083.00改進(jìn)制備工藝組23.151.1224.0085.00界面鈍化組23.561.1324.2086.00體相摻雜組24.051.1524.5087.00從表1中可以清晰地看出，改進(jìn)二氧化錫后的柔性鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率得到了顯著提升。對照組的光電轉(zhuǎn)換效率為20.56%，而改進(jìn)制備工藝組的效率達(dá)到了23.15%，相比對照組提升了2.59個(gè)百分點(diǎn)。界面鈍化組的效率進(jìn)一步提高到23.56%，提升幅度更為明顯。體相摻雜組表現(xiàn)最為出色，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了24.05%，相較于對照組提升了3.49個(gè)百分點(diǎn)。在開路電壓方面，對照組為1.08V，改進(jìn)制備工藝組提升到1.12V，界面鈍化組為1.13V，體相摻雜組達(dá)到1.15V。短路電流密度也呈現(xiàn)出類似的增長趨勢，對照組為22.50mA/cm2，改進(jìn)制備工藝組提升至24.00mA/cm2，界面鈍化組為24.20mA/cm2，體相摻雜組達(dá)到24.50mA/cm2。填充因子同樣隨著二氧化錫的改進(jìn)而增加，對照組為83.00%，改進(jìn)制備工藝組提升到85.00%，界面鈍化組為86.00%，體相摻雜組達(dá)到87.00%。這些數(shù)據(jù)表明，通過對二氧化錫的改進(jìn)，不僅提高了柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，還對開路電壓、短路電流密度和填充因子等性能指標(biāo)產(chǎn)生了積極的影響，且不同的改進(jìn)方式對各性能指標(biāo)的提升程度存在差異。4.1.2效率提升的理論解釋從理論層面來看，改進(jìn)二氧化錫對柔性鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的提升主要源于電子傳輸?shù)膬?yōu)化和載流子復(fù)合的抑制。在電子傳輸方面，改進(jìn)后的二氧化錫展現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能。以基于硫酸錫的化學(xué)浴沉積工藝制備的二氧化錫為例，其微觀結(jié)構(gòu)更加致密，缺陷和晶界顯著減少。這種優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)為電子傳輸提供了更加順暢的路徑，有效降低了電子傳輸過程中的能量損失。電子在傳輸過程中能夠更快地從鈣鈦礦吸收層轉(zhuǎn)移到透明導(dǎo)電基底，從而提高了短路電流密度。清華大學(xué)易陳誼團(tuán)隊(duì)通過這種改進(jìn)工藝獲得的覆蓋均勻的致密SnO?薄膜，使得電子傳輸效率大幅提高，進(jìn)而提升了電池的整體性能。體相摻雜也是提高電子傳輸性能的重要手段。當(dāng)向二氧化錫晶格中引入特定的摻雜元素（如氯）時(shí)，會(huì)改變其能帶結(jié)構(gòu)。以摻雜氯的二氧化錫納米晶（NCs）為例，氯原子的引入在二氧化錫的禁帶中引入了新的能級，這些能級能夠有效地調(diào)節(jié)電子的傳輸行為。一方面，新能級的存在增加了載流子濃度，使電子更容易在材料中移動(dòng)，從而提高了電導(dǎo)率；另一方面，這些能級還能夠有效地抑制能壘，降低鈣鈦礦和電子傳輸層之間埋藏界面的陷阱態(tài)密度，促進(jìn)電子的快速傳輸，減少電子在界面處的積累和復(fù)合，進(jìn)一步提高了短路電流密度。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于這種摻雜Cl的SnO?NCs的穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池在小型電池（0.085cm2）和迷你模塊（12.125cm2）中取得了優(yōu)異的效率，充分證明了體相摻雜在提升電子傳輸性能方面的顯著效果。在載流子復(fù)合方面，改進(jìn)二氧化錫同樣發(fā)揮了關(guān)鍵作用。界面鈍化是抑制載流子復(fù)合的重要策略之一。以氯化錫（SnCl?）對二氧化錫進(jìn)行后處理為例，SnCl?處理能夠有效去除二氧化錫表面不需要的團(tuán)聚納米顆粒，改善其結(jié)晶度。這些團(tuán)聚顆粒和結(jié)晶度不佳的區(qū)域往往是載流子復(fù)合的主要場所，去除團(tuán)聚顆粒和改善結(jié)晶度后，界面處的電子-空穴復(fù)合概率顯著降低。通過再結(jié)晶過程，二氧化錫的晶體結(jié)構(gòu)更加完整，缺陷減少，進(jìn)一步抑制了載流子的復(fù)合。韓國能源研究院的研究表明，經(jīng)過SnCl?處理的柔性鈣鈦礦太陽能電池在環(huán)境儲存條件下保留了95.84%的初始光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），在長時(shí)間的光浸泡測試中也表現(xiàn)出色，充分體現(xiàn)了界面鈍化對抑制載流子復(fù)合、提高電池穩(wěn)定性和效率的重要作用。綜上所述，通過改進(jìn)二氧化錫的制備工藝、進(jìn)行體相摻雜和界面鈍化等方式，優(yōu)化了電子傳輸路徑，提高了電子傳輸效率，同時(shí)有效地抑制了載流子復(fù)合，從而顯著提升了柔性鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。4.2穩(wěn)定性增強(qiáng)4.2.1抗彎折性能柔性鈣鈦礦太陽能電池的抗彎折性能是其在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，尤其是在可穿戴電子設(shè)備、便攜式電源等需要頻繁彎曲或變形的應(yīng)用場景中。改進(jìn)二氧化錫在提升柔性鈣鈦礦太陽能電池抗彎折性能方面發(fā)揮著重要作用，清華大學(xué)易陳誼團(tuán)隊(duì)的研究成果有力地證明了這一點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)可適用于柔性襯底的化學(xué)水浴制備二氧化錫（SnO?）電子傳輸層工藝，成功實(shí)現(xiàn)了25.09%（認(rèn)證效率為24.90%）的柔性鈣鈦礦太陽能電池的世界最高效率紀(jì)錄。在抗彎折性能測試中，基于該工藝制備的柔性鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出了卓越的表現(xiàn)。經(jīng)過10000次彎曲循環(huán)后，電池仍能保持其初始光電轉(zhuǎn)換效率的90%以上。這一優(yōu)異的抗彎折性能主要得益于基于硫酸錫（SnSO?）制備的二氧化錫薄膜的獨(dú)特優(yōu)勢。在傳統(tǒng)的化學(xué)浴沉積法制備二氧化錫薄膜時(shí)，通常使用氯化錫（SnCl?）作為錫源，并添加鹽酸來調(diào)節(jié)溶液pH值。然而，這種方法存在諸多弊端，如HCl揮發(fā)、沉淀物生成和濃度變化等因素，容易導(dǎo)致大聚集體的形成和不均勻膜的生長。同時(shí)，反應(yīng)開始時(shí)化學(xué)浴沉積溶液的pH值＜1，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長pH值逐漸增加，這會(huì)使水浴中產(chǎn)生大量的沉淀或漂浮物，導(dǎo)致化學(xué)浴沉積溶液無法循環(huán)使用。此外，對于對酸敏感的薄膜襯底，如柔性ITO襯底，傳統(tǒng)工藝中使用的強(qiáng)酸環(huán)境會(huì)嚴(yán)重腐蝕襯底，影響薄膜與襯底的結(jié)合質(zhì)量，進(jìn)而降低二氧化錫薄膜作為電子傳輸層的綜合性能。而清華大學(xué)易陳誼團(tuán)隊(duì)采用硫酸錫替代常規(guī)的氯化錫作為錫源，能夠在不添加強(qiáng)酸，恒定pH條件下可控生長制備SnO?薄膜。這種基于硫酸錫的工藝為二氧化錫薄膜的生長提供了更加溫和、穩(wěn)定的環(huán)境。在這種環(huán)境下生長的二氧化錫薄膜具有覆蓋均勻、致密的微觀結(jié)構(gòu)。這種均勻且致密的結(jié)構(gòu)使得薄膜在受到彎曲應(yīng)力時(shí)，能夠更好地分散應(yīng)力，減少因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的薄膜破裂或性能下降。相比之下，傳統(tǒng)工藝制備的二氧化錫薄膜由于存在結(jié)構(gòu)缺陷和不均勻性，在彎曲過程中容易出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而影響電池的性能。此外，基于硫酸錫的SnO?薄膜上的SO?2?與鈣鈦礦中的Pb2?之間存在強(qiáng)相互作用。這種強(qiáng)相互作用不僅有助于增強(qiáng)二氧化錫與鈣鈦礦層之間的界面結(jié)合力，還能夠在一定程度上緩沖彎曲過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)一步提高了電池的抗彎折性能。4.2.2熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性是柔性鈣鈦礦太陽能電池在實(shí)際應(yīng)用中面臨的另一個(gè)重要挑戰(zhàn)，因?yàn)殡姵卦诠ぷ鬟^程中會(huì)受到環(huán)境溫度變化的影響，尤其是在高溫環(huán)境下，電池的性能容易發(fā)生衰退。改進(jìn)二氧化錫，特別是基于硫酸錫基的二氧化錫，在提高柔性鈣鈦礦太陽能電池?zé)岱€(wěn)定性方面具有顯著作用。硫酸錫基二氧化錫與鉛離子之間存在著強(qiáng)相互作用，這種相互作用對減少界面缺陷、提高熱穩(wěn)定性具有重要影響。在柔性鈣鈦礦太陽能電池中，二氧化錫作為電子傳輸層與鈣鈦礦吸收層緊密接觸，界面的質(zhì)量直接影響電池的性能和穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)的二氧化錫制備過程中，由于制備工藝的局限性，二氧化錫薄膜表面和界面容易存在缺陷，如氧空位、晶界缺陷等。這些缺陷會(huì)成為載流子復(fù)合的中心，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在高溫環(huán)境下，這些缺陷還會(huì)加劇鈣鈦礦的分解，導(dǎo)致電池性能的快速衰退。而硫酸錫基二氧化錫中的SO?2?能夠與鈣鈦礦中的Pb2?發(fā)生配位作用，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵。這種配位作用可以有效地填充二氧化錫與鈣鈦礦界面處的缺陷，減少載流子復(fù)合的中心。通過X射線光電子能譜（XPS）分析可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過硫酸錫基二氧化錫處理后，界面處的氧空位濃度顯著降低，表明界面缺陷得到了有效減少。同時(shí)，這種強(qiáng)相互作用還能夠增強(qiáng)二氧化錫與鈣鈦礦層之間的界面結(jié)合力，提高界面的穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下，穩(wěn)定的界面能夠有效抑制鈣鈦礦的分解，維持電池的性能穩(wěn)定。例如，通過熱重分析（TGA）和差示掃描量熱分析（DSC）等測試手段可以發(fā)現(xiàn)，基于硫酸錫基二氧化錫的柔性鈣鈦礦太陽能電池在高溫下的質(zhì)量損失明顯低于傳統(tǒng)二氧化錫制備的電池，表明其具有更好的熱穩(wěn)定性。此外，硫酸錫基二氧化錫的微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)晶質(zhì)量也對熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。采用基于硫酸錫的化學(xué)浴沉積工藝制備的二氧化錫薄膜具有更致密的微觀結(jié)構(gòu)和更高的結(jié)晶度。致密的結(jié)構(gòu)可以阻擋外界環(huán)境因素（如氧氣、水分等）對鈣鈦礦的侵蝕，減少鈣鈦礦在高溫下的降解。高結(jié)晶度則有助于提高二氧化錫的電學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，使電子傳輸更加順暢，減少因溫度升高而導(dǎo)致的電子傳輸受阻和性能下降。通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察可以發(fā)現(xiàn)，硫酸錫基二氧化錫薄膜的晶體結(jié)構(gòu)更加完整，晶界清晰，缺陷較少，這為提高電池的熱穩(wěn)定性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4.3其他性能優(yōu)化4.3.1光捕獲能力增強(qiáng)改進(jìn)后的二氧化錫對柔性鈣鈦礦太陽能電池光捕獲能力的增強(qiáng)具有重要意義，這主要通過其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)。從微觀結(jié)構(gòu)角度來看，以基于硫酸錫的化學(xué)浴沉積工藝制備的二氧化錫薄膜為例，其具有覆蓋均勻、致密的微觀結(jié)構(gòu)。這種均勻且致密的結(jié)構(gòu)能夠有效地減少光的散射損失，使更多的光能夠被鈣鈦礦吸收層吸收。當(dāng)光線進(jìn)入電池時(shí)，二氧化錫薄膜作為電子傳輸層，其均勻的結(jié)構(gòu)為光線提供了相對平滑的傳輸路徑，減少了光線在界面處的散射和反射。相比之下，傳統(tǒng)工藝制備的二氧化錫薄膜由于存在結(jié)構(gòu)缺陷和不均勻性，容易導(dǎo)致光線在傳輸過程中發(fā)生散射，使得部分光線無法到達(dá)鈣鈦礦吸收層，從而降低了光捕獲效率。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察可以發(fā)現(xiàn)，基于硫酸錫制備的二氧化錫薄膜表面更加平整，顆粒分布更加均勻，這為光的高效傳輸提供了保障。從光學(xué)性質(zhì)方面分析，二氧化錫本身具有良好的光學(xué)透明性，這使得光線能夠順利透過二氧化錫層到達(dá)鈣鈦礦吸收層。改進(jìn)后的二氧化錫，如經(jīng)過界面鈍化或體相摻雜處理的二氧化錫，其光學(xué)性質(zhì)得到進(jìn)一步優(yōu)化。界面鈍化處理可以減少二氧化錫表面的缺陷和雜質(zhì)，從而降低光吸收和散射損耗，提高光的透過率。體相摻雜則可以通過改變二氧化錫的能帶結(jié)構(gòu)，使其對特定波長的光具有更強(qiáng)的吸收或散射能力，從而實(shí)現(xiàn)對光的更有效捕獲。以摻雜氯的二氧化錫納米晶（NCs）為例，氯原子的引入改變了二氧化錫的能帶結(jié)構(gòu)，使其在一定波長范圍內(nèi)的光吸收增強(qiáng)。這種增強(qiáng)的光吸收能力使得更多的光子能夠被二氧化錫吸收，然后通過能量傳遞的方式將激發(fā)態(tài)電子注入到鈣鈦礦吸收層，從而增加了鈣鈦礦吸收層對光的捕獲量。通過紫外-可見吸收光譜測試可以發(fā)現(xiàn)，摻雜氯的二氧化錫納米晶在特定波長范圍內(nèi)的吸收峰強(qiáng)度明顯增加，表明其光捕獲能力得到了提升。此外，改進(jìn)后的二氧化錫與鈣鈦礦層之間的界面兼容性得到改善，這也有助于提高光捕獲能力。良好的界面兼容性可以減少界面處的能量損失和電荷復(fù)合，使得光生載流子能夠更有效地在二氧化錫和鈣鈦礦之間傳輸。當(dāng)光生載流子在界面處能夠順利傳輸時(shí)，光的利用效率得到提高，從而間接增強(qiáng)了光捕獲能力。例如，通過在二氧化錫與鈣鈦礦層之間引入緩沖層或表面活性劑，改善了界面的電學(xué)和光學(xué)性能，使得光生載流子的傳輸效率提高，光捕獲能力得到增強(qiáng)。4.3.2載流子傳輸特性改善改進(jìn)二氧化錫在提升柔性鈣鈦礦太陽能電池載流子傳輸特性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，主要體現(xiàn)在電子傳輸速率和效率的顯著提升。從電子傳輸速率角度來看，改進(jìn)后的二氧化錫微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是提高電子傳輸速率的重要因素。以基于硫酸錫的化學(xué)浴沉積工藝制備的二氧化錫薄膜為例，其致密的結(jié)構(gòu)和較少的缺陷為電子提供了更為順暢的傳輸路徑。在傳統(tǒng)的二氧化錫制備過程中，由于制備工藝的局限性，薄膜中容易存在大量的晶界和缺陷。這些晶界和缺陷會(huì)成為電子散射的中心，電子在傳輸過程中與這些散射中心碰撞，導(dǎo)致能量損失和傳輸速率降低。而基于硫酸錫制備的二氧化錫薄膜，其晶體結(jié)構(gòu)更加完整，晶界數(shù)量減少，電子在其中傳輸時(shí)受到的散射作用明顯減弱，從而能夠以更高的速率傳輸。通過時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）測試可以發(fā)現(xiàn)，基于改進(jìn)工藝制備的二氧化錫薄膜的電子壽命更長，這意味著電子在其中能夠更快速地傳輸，減少了復(fù)合的概率。體相摻雜也是提高電子傳輸速率的有效手段。當(dāng)向二氧化錫晶格中引入特定的摻雜元素（如銻、氟、氯等）時(shí)，會(huì)改變其能帶結(jié)構(gòu)。以銻摻雜二氧化錫為例，Sb??雜質(zhì)在SnO?禁帶形成施主能級，向?qū)峁﹏型載流子，增加了載流子濃度。更高的載流子濃度使得電子之間的相互作用增強(qiáng)，電子在材料中的傳輸更加容易，從而提高了電子傳輸速率。此外，摻雜元素還可以改變二氧化錫的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化電子傳輸性能。通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和X射線衍射（XRD）分析可以發(fā)現(xiàn)，摻雜后的二氧化錫晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的變化，這種變化有利于電子的快速傳輸。在載流子傳輸效率方面，改進(jìn)二氧化錫同樣取得了顯著成效。界面鈍化是提高載流子傳輸效率的重要策略之一。以氯化錫（SnCl?）對二氧化錫進(jìn)行后處理為例，SnCl?處理能夠有效去除二氧化錫表面不需要的團(tuán)聚納米顆粒，改善其結(jié)晶度。這些團(tuán)聚顆粒和結(jié)晶度不佳的區(qū)域往往是載流子復(fù)合的主要場所，去除團(tuán)聚顆粒和改善結(jié)晶度后，界面處的電子-空穴復(fù)合概率顯著降低。通過光致發(fā)光光譜（PL）和時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）測試可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過SnCl?處理后，二氧化錫與鈣鈦礦界面處的熒光強(qiáng)度明顯降低，熒光壽命延長，這表明界面處的載流子復(fù)合減少，載流子傳輸效率得到提高。此外，通過在二氧化錫與鈣鈦礦層之間引入緩沖層或表面活性劑等界面修飾方法，也可以改善界面的電學(xué)性能，增強(qiáng)界面的電荷傳輸能力，從而提高載流子傳輸效率。五、案例分析5.1案例一：清華大學(xué)易陳誼團(tuán)隊(duì)的研究成果清華大學(xué)易陳誼團(tuán)隊(duì)在基于改進(jìn)二氧化錫的柔性鈣鈦礦太陽能電池研究中取得了突破性成果，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要的參考和借鑒。該團(tuán)隊(duì)針對柔性鈣鈦礦太陽能電池面臨的關(guān)鍵問題，通過開發(fā)可適用于柔性襯底的化學(xué)水浴制備二氧化錫（SnO?）電子傳輸層工藝，成功實(shí)現(xiàn)了25.09%（認(rèn)證效率為24.90%）的柔性鈣鈦礦太陽能電池的世界最高效率紀(jì)錄。其改進(jìn)二氧化錫的具體方法是使用硫酸錫（SnSO?）替代常規(guī)的氯化錫（SnCl?）作為錫源。在傳統(tǒng)的化學(xué)浴沉積法制備二氧化錫薄膜時(shí)，通常使用氯化錫并添加鹽酸來調(diào)節(jié)溶液pH值。然而，這種方法存在諸多弊端，如HCl揮發(fā)、沉淀物生成和濃度變化等因素，容易導(dǎo)致大聚集體的形成和不均勻膜的生長。同時(shí)，反應(yīng)開始時(shí)化學(xué)浴沉積溶液的pH值＜1，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長pH值逐漸增加，這會(huì)使水浴中產(chǎn)生大量的沉淀或漂浮物，導(dǎo)致化學(xué)浴沉積溶液無法循環(huán)使用。此外，對于對酸敏感的薄膜襯底，如柔性ITO襯底，傳統(tǒng)工藝中使用的強(qiáng)酸環(huán)境會(huì)嚴(yán)重腐蝕襯底，影響薄膜與襯底的結(jié)合質(zhì)量，進(jìn)而降低二氧化錫薄膜作為電子傳輸層的綜合性能。而采用硫酸錫替代氯化錫作為錫源，能夠在不添加強(qiáng)酸，恒定pH條件下可控生長制備SnO?薄膜。這種基于硫酸錫的工藝為二氧化錫薄膜的生長提供了更加溫和、穩(wěn)定的環(huán)境。在這種環(huán)境下，團(tuán)隊(duì)獲得了覆蓋均勻的致密SnO?薄膜。從微觀結(jié)構(gòu)角度來看，該薄膜具有更均勻的顆粒分布和更致密的結(jié)構(gòu)，減少了晶界和缺陷的存在。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）分析可以清晰地觀察到，基于硫酸錫制備的二氧化錫薄膜表面平整，顆粒大小均勻，晶體結(jié)構(gòu)完整，晶界清晰且缺陷較少。這種優(yōu)化后的微觀結(jié)構(gòu)為電子傳輸提供了更加順暢的路徑，有效降低了電子傳輸過程中的能量損失。在電池性能優(yōu)化方面，基于該改進(jìn)工藝制備的柔性鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出了卓越的性能。在光電轉(zhuǎn)換效率方面，實(shí)現(xiàn)了25.09%（認(rèn)證效率為24.90%）的高效率，顯著高于傳統(tǒng)工藝制備的電池。這主要得益于改進(jìn)后的二氧化錫薄膜能夠更高效地傳輸電子，減少了電子-空穴對的復(fù)合，提高了短路電流密度和填充因子。在穩(wěn)定性方面，基于SnSO?的柔性鈣鈦礦太陽能電池在耐久性方面表現(xiàn)出色，經(jīng)過10000次彎曲循環(huán)后，仍能保持其初始光電轉(zhuǎn)換效率的90%以上。其良好的抗彎折性能得益于基于硫酸錫的SnO?薄膜上的SO?2?與鈣鈦礦中的Pb2?之間的強(qiáng)相互作用，這種相互作用可減少界面缺陷，有效提高鈣鈦礦器件的熱穩(wěn)定性。在熱穩(wěn)定性測試中，基于SnSO?制備的SnO?為電子傳輸層的鈣鈦礦電池也表現(xiàn)出了更好的熱穩(wěn)定性。通過熱重分析（TGA）和差示掃描量熱分析（DSC）等測試手段可以發(fā)現(xiàn)，該電池在高溫下的質(zhì)量損失明顯低于傳統(tǒng)二氧化錫制備的電池，表明其具有更好的熱穩(wěn)定性。5.2案例二：韓國能源研究院的實(shí)踐應(yīng)用韓國能源研究院在改進(jìn)二氧化錫用于柔性鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)踐應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展。該研究院針對化學(xué)浴沉積（CBD）法制備的二氧化錫電子傳輸層（ETL）存在的問題，采用氯化錫（SnCl?）進(jìn)行后處理，有效提升了電池性能，并將其應(yīng)用于多個(gè)實(shí)際場景中。在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域，研究團(tuán)隊(duì)將基于改進(jìn)二氧化錫的柔性鈣鈦礦太陽能電池集成到智能服裝中。傳統(tǒng)的可穿戴電子設(shè)備供電方式存在續(xù)航短、體積大等問題，而柔性鈣鈦礦太陽能電池的應(yīng)用為解決這些問題提供了新途徑。集成后的智能服裝能夠在日常穿著過程中，利用環(huán)境光實(shí)現(xiàn)自發(fā)電，為服裝上的各種傳感器、微型處理器等設(shè)備提供持續(xù)的電力供應(yīng)。例如，通過在服裝的肩部、背部等容易接受光照的部位鋪設(shè)柔性鈣鈦礦太陽能電池，可實(shí)時(shí)監(jiān)測人體的生理參數(shù)（如心率、血壓、體溫等），并將數(shù)據(jù)傳輸至移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)對人體健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在實(shí)際應(yīng)用中，基于SnCl?處理后的二氧化錫電子傳輸層的柔性鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和抗彎折性能。經(jīng)過多次彎折和拉伸測試，電池的光電轉(zhuǎn)換效率依然能夠保持在較高水平，滿足了可穿戴設(shè)備在日常使用中的靈活變形需求。在便攜式電源領(lǐng)域，韓國能源研究院將改進(jìn)后的柔性鈣鈦礦太陽能電池應(yīng)用于戶外電源設(shè)備中。這種便攜式電源設(shè)備可以在戶外活動(dòng)（如露營、徒步旅行等）中，利用太陽能進(jìn)行充電，為手機(jī)、平板電腦、小型照明設(shè)備等提供電力支持。與傳統(tǒng)的便攜式電源相比，基于改進(jìn)二氧化錫的柔性鈣鈦礦太陽能電池具有更高的充電效率和更長的使用壽命。在實(shí)際測試中，該電池在不同光照條件下（如強(qiáng)光、弱光、陰天等）均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換，為便攜式電源提供了可靠的能源來源。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中，也面臨著一些挑戰(zhàn)。從成本角度來看，雖然改進(jìn)二氧化錫的制備工藝和后處理方法能夠有效提升電池性能，但部分材料和制備過程的成本仍然較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。例如，氯化錫（SnCl?）作為后處理材料，其價(jià)格相對較高，增加了電池的制備成本。在規(guī)