太阳能电池的ETL构成

太阳能电池中的ETL（电子传输层）是光电器件的核心功能层，尤其在钙钛矿太阳能电池中发挥关键作用，其构成与功能特点如下：

一、ETL的核心构成材料

ETL通常由高电子迁移率的金属氧化物或有机材料构成，主要材料包括：

1. 二氧化钛（TiO₂）

• 结构形式：分为致密层和介孔层。致密层阻止导电基底与钙钛矿直接接触，避免空穴传输；介孔层为钙钛矿生长提供框架，形成多孔TiO₂/钙钛矿混合层以传输电子。

• 特点：需高温烧结，紫外敏感性较高，可能影响长期稳定性。

2. 氧化锡（SnO₂）

• 优势：高透光率（可见光区>89%）、低温工艺兼容性（<150°C）、优异能级匹配（ECB=−4.3 eV）。

• 应用：在钙钛矿/硅叠层电池中，平面SnO₂ ETL可取代高温TiO₂，使开路电压（VOC）提升至1.78 V，效率达21.2%。

3. 氧化锌（ZnO）

• 特性：电子迁移率高，但易与钙钛矿层发生反应，需界面修饰层（如LiF）降低缺陷态密度。

• 效果：引入LiF修饰的ZnO-ETL可使界面缺陷态密度降低一个数量级，填充因子（FF）从70%提升至82%。

4. 有机材料（如PCBM、Rubrene）

• 作用：在异质结有机太阳能电池中，Rubrene作为ETL可保护活性层，形成缺陷态能级，增强内建电场，提升开路电压和效率。

• 案例：含5.5 nm Rubrene的电池开路电压从0.68 V增至0.86 V，效率从0.315%提升至0.490%。

二、ETL的核心功能

1. 高效电子传输

• 机制：ETL通过高电子迁移率特性，快速收集光生电子并传输至电极，减少电子-空穴复合概率。

• 类比：如同“电子高速公路”，确保载流子快速定向移动，避免能量损失。

2. 空穴阻挡

• 原理：ETL的能级结构形成“空穴势垒”，导带底（CBM）低于活性层，价带顶（VBM）高于活性层，仅允许电子单向传输。

• 效果：优化后的SnO₂-ETL可将空穴阻挡效率提升至99%以上，显著提高开路电压。

3. 界面优化

• 方法：通过表面配体修饰（如引入Cl⁻、NH₄⁺）或界面偶极层设计，改善能级对齐，抑制电荷陷阱形成。

• 数据：界面修饰可使器件填充因子从70%提升至82%，减少界面复合损失。

三、ETL在钙钛矿电池中的结构位置

ETL位于透明导电基底（如ITO/FTO玻璃）与钙钛矿吸光层之间，其典型结构如下：

• 正式结构（n-i-p）：透明导电基底 → ETL（如TiO₂/SnO₂）→ 钙钛矿层 → 空穴传输层（HTL）→ 金属电极。

• 反式结构（p-i-n）：透明导电基底 → HTL → 钙钛矿层 → ETL（如ZnO/PCBM）→ 金属电极。

四、ETL的性能优化方向

1. 材料创新：开发低温溶液加工材料（如SnO₂），探索二维材料（如MoS₂）的传输特性。

2. 界面工程：通过原子层沉积（ALD）或化学浴沉积（CBD）优化ETL与钙钛矿层的界面接触。

3. 能级匹配：调整ETL的导带位置，使其与钙钛矿层能级更匹配，减少能量损失。