鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因其高效率和低成本成為光伏領域的研究熱點，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）技術制備摻鈮SnO?（SnO?:Nb）薄膜，并結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結構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結構，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摻雜通過調整前驅體脈沖序列（O序列和S序列）和循環比（如55:1、15:1等）實現，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??）因串聯電阻降低（R?=48.35 Ω·cm2 vs. S?的62.10 Ω·cm2）和并聯電阻升高（R??=12.77 Ω·cm2 vs. S?的5.32 Ω·cm2），顯著優化了電荷傳輸效率。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致密晶粒（尺寸60–70 nm）與（100）擇優取向，且PbI?雜質未在界面富集，證明ETL改性未影響鈣鈦礦結晶性。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現：

• 吸收邊位置：所有樣品在765 nm處呈現明顯的吸收邊，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。
• 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) 穩態光致發光（PL）光譜；(b) 瞬態光致發光（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）技術精確調控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備是一種實時監測鈣鈦礦薄膜、透明氧化玻璃或組件光學透過率的系統，用于優化工藝、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據
• 穩定性好：測量穩定性＜0.1%，在重復測試10次中能夠提供穩定的數據，保證了測試結果的可靠性
• 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）技術結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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