方国家、柯维俊 | 氧化锡与钙钛矿太阳能电池|太阳能电池|柯维俊|氧化锡与钙钛矿太阳能电池|纳米|钛矿

能源是人类赖以生存和发展的物质基础，当前能源短缺和全球变暖引发的各类社会和环境危机正在加剧。在国家碳达峰、碳中和的战略背景下，人类社会的可持续发展迫切需要开发新技术和更加高效地利用可再生清洁能源。太阳能是地球上能源的主要来源，所有可再生能源除地热能和潮汐能外都直接或间接地转化自太阳，因此太阳能的利用是未来发展的一个重要方向。近年来有机无机杂化金属卤化物钙钛矿光伏电池得到高速发展，有望实现产业化应用。

SnO2除了可以用作透明电极，其优异的光电性能也使它成为薄膜太阳能电池中理想的电子传输层的候选者之一。金红石结构的 SnO2 具有直接带隙，带隙值通常为3.5 ∼4.0 eV。其导带底通常位于 -4.5 eV，与大部分薄膜太阳能电池的吸光层材料能级匹配，有利于得到高质量的 p-n 结。同时， SnO2 的导带能级主要来源于Sn-5p 与O-2p 轨道的相互作用，具有较大的色散度和低的电子有效质量，这赋予了 SnO2 高的电子迁移率 (可达 240 cm2/(V·s))，有利于其在薄膜太阳能电池器件中快速抽取光生载流子。而 SnO2 的价带顶则主要由 O 的 p 轨道构成，通常位于较深的 -9 eV，如此深的价带能级对其在太阳能电池器件中阻挡界面复合也起到了关键作用。此外， SnO2 较低的亲水性和较高的酸性反应惰性也使其在采用了环境敏感型吸光层材料的薄膜电池中更具优势，比如，目前大部分高效率的钙钛矿太阳能电池都采用了 SnO2 作为电子传输材料。而其制备方法多样、可低温溶液法制备等优点也使其在柔性电池领域占据一席之地。

因而急需对这样一种重要材料的特性和制备方法及应用加以系统的总结，以便于同行研究者及从业者参考。

《氧化锡与钙钛矿太阳能电池》是依据作者课题组多年来在二氧化锡材料的合成、性能研究与太阳能电池应用等方面的成果撰写而成的一本专著。本书系统地介绍了二氧化锡电子导体的制备方法、性能调控，以及在光伏电池特别是钙钛矿太阳能电池领域应用等内容。第1 章绪论简要介绍二氧化锡的特性、太阳能电池发展状况；第2章介绍二氧化锡的溶液法制备（sol-gel纳米晶、水溶液量子点、水热纳米片）及其在钙钛矿太阳能电池中的应用；第3 章介绍二氧化锡的真空法制备(如射频磁控溅射、脉冲激光沉积、原子层沉积和电子束蒸发等)及其在钙钛矿太阳能电池中的应用；第4~8 章重点介绍二氧化锡材料的掺杂调控及钙钛矿太阳能电池的优化；第9 章介绍二氧化锡在新型太阳能电池中的应用；最后总结了二氧化锡从材料制备、性能调控到在太阳能电池应用中的优缺点，展望了二氧化锡在太阳能电池领域的发展前景与未来的发展方向。该成果总结成一本著作，可供不同领域的研究学者学习和参考，有利于推动学科的交叉发展。

本书汇集了学生们充满创新和聪明才智的研究成果，包括 30 余篇发表在国际学术刊物上的论文。我希望将这些研究成果系统地总结归纳出来，以专著的形式出版。这不仅是我们课题组近 8 年来的研究成果的总结，也是课题组老师和学生们多年来共同协作所付出辛苦和收获的见证。并且有关二氧化锡制备方法及改性和光伏电池应用方面的专著还未见出版。我们希望这些成果能够被发扬光大，在实际中得到应用，为科研工作者提供参考与借鉴，并为社会做出贡献。

本书力求理论严谨、结构合理、逻辑清晰、文字精练和图片清晰，按照二氧化锡的制备方法、添加剂工程、界面工程以及在钙钛矿和新型太阳能电池应用的结构类型顺序撰写。为了便于读者查阅，在本书的最后列出了已经发表的与本书内容相关的学术论文和授权的发明专利目录。

本书可供物理、化学、材料、微电子与光电子专业的高年级本科生、研究生，以及从事材料和光电领域研究与开发的科技与工程技术人员参考。

氧化锡与钙钛矿太阳能电池

方国家，柯维俊等著

北京 : 科学出版社， 2021.12

作者简介·

方国家，武汉大学物理科学与技术学院二级教授、博士生导师。湖北省优秀博士论文和国务院政府津贴获得者。主持国家高技术发展计划、国家自然科学基金重点项目、湖北省技术创新重大专项等30余项课题。

柯维俊，武汉大学物理科学与技术学院教授、博士生导师，国家青年人才项目获得者。

目录速览

第1章绪论 1

1.1 引言 1
1.2 二氧化锡的特性与应用 1
1.3 太阳能电池的现状与发展 3
1.3.1 太阳能电池的基本原理 3
1.3.2 太阳能电池的关键参数 4
1.3.3 太阳能电池的分类 6
1.4 新型太阳能电池的电子导体 22
1.4.1 金属氧化物材料 23
1.4.2 有机分子材料 25
参考文献 30
第2章二氧化锡的制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用——溶液法 46
2.1 引言 46
2.2 二氧化锡纳米晶 47
2.2.1 二氧化锡纳米晶薄膜的制备 47
2.2.2 二氧化锡纳米晶薄膜的性质 48
2.2.3 二氧化锡纳米晶薄膜应用在平面钙钛矿太阳能电池 51
2.3 二氧化锡量子点 58
2.3.1 二氧化锡量子点水溶液和薄膜的制备 58
2.3.2 二氧化锡量子点薄膜的性质 58
2.3.3 二氧化锡量子点薄膜在平面钙钛矿太阳能电池中的应用 63
2.4 二氧化锡纳米片 73
2.4.1 二氧化锡纳米片阵列的制备及其反应机理 73
2.4.2 二氧化锡纳米片的性质及钙钛矿太阳能电池的制备与优化 75
2.4.3 二氧化锡纳米片对钙钛矿太阳能电池稳定性影响的探究 89
2.5 本章小结 95
参考文献 95
第3章二氧化锡的制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用——真空法 98
3.1 引言 98
3.2 电子束蒸发二氧化锡 99
3.2.1 实验材料与方法 99
3.2.2 基于电子束蒸发制备SnO2 薄膜的基本性质 101
3.2.3 氧气沉积环境对电子束蒸发制备SnO2 薄膜的影响 102
3.2.4 电子束蒸发制备SnO2 薄膜厚度对器件的影响 104
3.2.5 基于电子束蒸发SnO2 钙钛矿太阳能电池的稳定性表现 106
3.3 脉冲激光沉积二氧化锡 107
3.3.1 实验材料与方法 108
3.3.2 基于PLD-SnO2 电子传输层的钙钛矿太阳能电池 109
3.3.3 基于PLD-SnO2 钙钛矿-PCBM 混合异质结太阳能电池 113
3.3.4 柔性太阳能电池 116
3.4 磁控溅射沉积二氧化锡 117
3.4.1 实验方法 118
3.4.2 射频磁控溅射SnO2 薄膜在钙钛矿太阳能电池中的作用 120
3.4.3 射频磁控溅射条件对材料及器件性能的影响 122
3.5 原子层沉积二氧化锡 129
3.5.1 原子层沉积二氧化锡用于正置结构钙钛矿太阳能电池 130
3.5.2 原子层沉积二氧化锡用于倒置结构钙钛矿太阳能电池 134
参考文献 138
第4章掺杂二氧化锡的特性及其对钙钛矿太阳能电池性能的影响 143
4.1 引言 143
4.2 镁掺杂的二氧化锡 143
4.2.1 镁掺杂的二氧化锡平面结构 143
4.2.2 镁掺杂的高温SnO2 多孔结构钙钛矿电池 170
4.2.3 高温过程平面及介观SnO2 电池的光伏性能 173
4.3 钇掺杂的低温二氧化锡 187
4.3.1 简介 187
4.3.2 基于Y 掺杂SnO2 (Y-SnO2) 电子传输层的钙钛矿电池制备 187
4.3.3 水热法生长SnO2 纳米片薄膜的性质研究 189
参考文献 196
第5章二氧化锡的界面修饰及对钙钛矿太阳能电池性能的影响 200
5.1 引言 200
5.2 富勒烯衍生物表面修饰 200
5.3 硅烷自组装界面修饰及钙钛矿电池的光伏性能研究 206
5.4 氧化镁底层修饰 216
参考文献 222
第6章添加剂处理二氧化锡对钙钛矿太阳能电池性能的影响 227
6.1 引言 227
6.2 水与醇处理 227
6.2.1 简介 227
6.2.2 实验材料 228
6.2.3 SnO2 量子点胶体前驱体的合成方法 228
6.2.4 SnO2 电子传输层的制备 229
6.2.5 钙钛矿前驱体溶液和薄膜的制备 229
6.2.6 空穴传输层和Au 电极制备 229
6.2.7 薄膜和器件表征 229
6.2.8 结果与讨论 230
6.3 双氧水处理 242
6.3.1 简介 242
6.3.2 材料 242
6.3.3 SnO2 及H2O2-SnO2 纳米粒子薄膜的制备 242
6.3.4 器件制备 243
6.3.5 性能表征与分析 243
6.4 氯化氨处理 254
6.4.1 引言 254
6.4.2 实验材料与方法 255
6.4.3 氯钝化SnO2 作为电子传输层制备钙钛矿太阳能电池 257
参考文献 264
第7章基于二氧化锡的高效钙钛矿太阳能电池优化 269
7.1 引言 269
7.2 钙钛矿晶粒生长与晶界钝化 269
7.2.1 简介 269
7.2.2 基于SnO2/富勒烯电子传输层和Pb(SCN)2 添加剂的钙钛矿电池的制备 270
7.2.3 器件表征 270
7.2.4 结果与讨论 271
7.2.5 小结 284
7.3 有机阳离子掺杂钙钛矿 284
7.3.1 简介 284
7.3.2 实验部分 285
7.3.3 实验结果与讨论 286
7.3.4 小结 293
7.4 稳定剂辅助生长甲脒铅碘钙钛矿 294
7.4.1 简介 294
7.4.2 实验结果与分析 295
7.4.3 小结 306
7.5 两步法钙钛矿结晶和相稳定机制 306
7.5.1 简介 306
7.5.2 实验结果与分析 308
7.5.3 小结 315
7.6 减反层在钙钛矿太阳能电池中的应用 316
7.6.1 简介 316
7.6.2 实验结果与分析 317
7.6.3 小结 321
参考文献 321
第8章基于二氧化锡的高效钙钛矿太阳能电池空穴传输层优化 327
8.1 引言 327
8.2 酞菁类系列传输层 327
8.2.1 基于酞菁铜空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的研究 327
8.2.2 基于酞菁钯空穴传输层的钙钛矿电池的研究 338
8.2.3 小结 354
8.3 新型咔唑类空穴传输层 355
8.4 金属硫化物界面修饰 368
8.4.1 高迁移率p型硫化铅缓冲层在平面钙钛矿电池中的应用研究 368
8.4.2 热蒸发法制备的无机空穴传输材料硫化铜在平面钙钛矿电池中的应用 386
参考文献 403
第9章二氧化锡电子导体在其他太阳能电池中的应用 414
9.1 引言 414
9.2 低温二氧化锡用于硫化锑太阳能电池 415
9.3 可耐高温的二氧化锡用于硫化锑太阳能电池 427
参考文献 436
附录发表论文及授权专利列表 439