基于ZAO透明导电膜的柔性钙钛矿电池的制备

The electron transport layer is the key to the perovskite solar cells(PSCs), and TiO2 is recognized as a highly efficient material. However, TiO2 is required to treat the film above temperature of 450℃, which limits its application in flexible solar cells. Our research group has a certain research basis on the preparation of flexible ZAO conductive films, nano-titanium oxide, ZnO morphology at low temperature and perovskite solar cells .The PSCs were prepared by the structure of PET / ZAO/TiO2:Y(ZnO)/CH3NH3PbI3/PDPP3T/ Ag. TiO2: Y dense layer applied in the plane structure of PSCs by magnetron sputtering technology at low temperature,and ZnO mesoporous layer by the alcohol heat reflux process. The microstructure and surface morphology of TiO2: Y dense layer were studied by controlling the mechanism of magnetron sputtering. TheFilm binding force between TiO2 layer and perovskite interface was studied by the microstructure and morphology of TiO2 films. The photoelectric efficiency of the PSCs were investigated, which was effected by the thickness and microstructure of the Ti-doped titanium oxide film. The success of the project is expected to break the bottleneck of the high-temperature treatment of the electron transport layer, which will lay a theoretical and experimental foundation for the high photoelectricity efficiency of the flexible PSCs, and will also promote the application process of ZAO as the transparent electrode.

TiO2是公认钙钛矿电池获得高效率的电子传输层材料，然而因其需高温处理才能增加膜层结合力，这限制了其在柔性电池的应用。我团队在ZAO导电膜、纳米TiO2及ZnO形貌的修饰、钙钛矿电池研究方面取得一定的成果。项目研究PET/ZAO/TiO2:Y（ZnO）/CH3NH3PbI3/PDPP3T/Ag平面（介孔）结构电池，TiO2:Y致密层由磁控溅射低温制备，ZnO介孔层由醇热回流工艺获得。着重研究TiO2:Y致密层的微结构及表面形貌受磁控溅射工艺调控机制；研究TiO2微结构及表面形貌与导电膜及钙钛矿相界面的膜层结合力的关系，进一步研究其对钙钛矿吸收层光电传输特性关联影响机制；揭示TiO2膜的钇含量、厚度及微结构对电池光电效率的影响规律。项目研究成功有望打破TiO2作为电子传输层需高温处理的瓶颈，为柔性电池获得高光电效率奠定理论和实验基础，同时也推进ZAO作为透明电极的应用进程。

目前，钙钛矿太阳能电池所用的透明导电膜主要是FTO（氟掺杂氧化锡）及ITO（铟锡氧化物），尽管ZAO（铝掺杂氧化锡）同样具有优异的光电性能，但由于其在酸碱环境的不稳定及无商用ZAO透明导电膜，因此ZAO透明导电膜在钙钛矿电池的应用还未见报导。我课题组基于以上问题，首先采用磁控溅射技术自制出PET/ZAO透明导电膜，并在此基础上继续沉积TiO2:Y电子传输层，而后运用多文献报导的方法制备钙钛矿层，制备PET/ZAO/TiO2:Y /CH3NH3PbI3/ PDPP3T/Ag柔性钙钛矿电池。.主要研究内容：.（1）柔性PET衬底ZAO透明电极制备及其与TiO2:Y层关联性研究. 运用磁控溅射技术在PET衬底制备铝掺氧化锌透明导电薄膜，调控多工艺参数获得方块电阻小于8Ω、可见光范围透光率接近90%的ZAO透明导电薄膜；研究其晶粒尺寸、薄膜厚度、致密度、表面形貌及缺陷等微结构，对后续TiO2:Y的膜层结合力和电子输运能力的影响。.（2）致密TiO2:Y膜电子传输层的制备及钙钛矿激活层性能关联的研究. 在上述（1）的基础上，采用磁控溅射技术调控多工艺参数（钇掺杂量、溅射功率、工作压、衬底温度、氧分压及溅射时间等）制备致密TiO2:Y电子传输层。研究其工艺参数对该层薄膜表面形貌、晶粒大小、薄膜厚度、电子输运能力及与导电膜层结合力的影响；研究其微结构及形貌对后续钙钛矿膜层结晶性能、针孔度、吸光度及膜层结合力的影响；进一步研究对其对钙钛矿吸收层光电传输特性的影响。..重要结果及关键数据：. 柔性PET衬底磁控溅射技术制备出的ZAO透明导电膜方块电阻低于8Ω，400-800 nm范围平均光透过率高于87%的，其光电性能达到商用的ITO薄膜性能参数。而在此基础上溅射TiO2电子传输层，通过调控其厚度及形貌，而后制备出钙钛矿电池，其最高光电转换效率达13.4%。.科学意义：. 运用磁控溅射技术制备PET/ZAO透明导电膜和TiO2电子传输层，同种工艺不仅增加了导电膜和电子传输层的层间接触面积，提高其膜层结合力，还避免了溶液法酸碱性对ZAO薄膜的影响以及二氧化钛需要高温烧结（450℃）的问题，更为重要的是实现ZAO了透明导电膜和二氧化钛电子传输层的工艺整合。由此说明：ZAO透明导电膜应用于钙钛矿电池是切实可行的。