室温反应蒸发+200℃退火调控 MoOₓ/NiOₓ薄膜：光伏空穴传输材料性能优化与效率潜力（＞25%）分析

 

在光伏电池中，无机p型金属氧化物（如MoOₓ和NiOₓ）因其天然p型特性和可调节的光学性能，显示出作为空穴传输材料的潜力。然而，这类材料的性能受其制备工艺和后续处理影响显著，特别是结晶状态和化学计量比的控制，是实现高效电荷传输的关键挑战。美能分光光度计利用物质对某种波长的光具有选择性吸收的特性，来鉴别物质或测定其含量，用于测量物质透过率、反射率以及吸收率的检测仪器。

本研究采用室温反应蒸发法在氧气环境中制备MoOₓ和NiOₓ薄膜，并通过200°C退火处理优化其结构。表征结果显示，NiOₓ在退火后出现结晶而MoOₓ保持非晶态，薄膜均表现出高透光性和合适的能带结构。基于这些光学与结构参数，研究进一步通过SCAPS-1D进行电池仿真，结果表明：将此类氧化物作为电荷传输层应用于钙钛矿电池时，优化后的电池转换效率可超过25%。通过“制备-表征-模拟”相结合的途径，验证了MoOₓ与NiOₓ薄膜作为高效空穴传输层的可行性，为开发新型无机电荷传输材料及其在高效光伏电池中的应用提供了有效解决方案。

实验方法

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以TiOₓ、SnOₓ作为电子传输层（ETM）、MoOₓ、NiOₓ作为空穴传输层（HTM）的数值模拟能量转换器件结构示意图

 

 

薄膜制备：研究采用反应蒸发法在洁净玻璃基板上沉积金属氧化物薄膜。衬底需先经过标准清洗：依次用丙酮、异丙醇、去离子水去除杂质，确保表面洁净，沉积压力控制在2×10⁻⁴ Torr，通过调节氧气流量，生长出厚度约100纳米的薄膜。沉积后在空气中以200°C进行退火处理。

表征与仿真：退火后的薄膜通过多种专业设备进行性能表征，利用UV-Vis、XRD、SEM/EDS、XPS等多种技术对薄膜进行表征，并基于文献中的电学参数，使用SCAPS-1D软件对电池性能进行数值模拟。

结构分析：结晶性差异明显

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在2e-4 Torr沉积压力下生长的退火处理后 NiOₓ和 SnOₓ薄膜的 X 射线衍射（XRD）图谱

XRD分析表明，经200°C退火后，NiOₓ薄膜出现结晶，而MoOₓ薄膜仍保持非晶态。这种差异可能与退火过程中晶粒融合与生长的机制有关。

表面成分：以氧原子为主导

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在2e-4 Torr沉积压力下生长的退火处理后氧化物薄膜的金属元素 X 射线光电子能谱（XPS）图谱

表面化学：XPS分析证实，在2×10⁻⁴ Torr压力下沉积的薄膜呈现金属贫乏的特征，表明薄膜中存在丰富的氧。

光学性能：高透光率适配多场景

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在2e-4 Torr沉积压力下生长的退火处理后氧化物薄膜的透光率图谱

UV-Vis测试显示，薄膜在可见光区（300-850 nm）的透光率介于60%至80%之间，这与其富氧的特性相符，使其非常适合作为光窗层和载流子传输层。

电池性能：效率潜力显著

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通过数值模拟得到的采用（左）TiOₓ（右）SnOₓ作为ETM与不同HTM的电池光电转换效率测试图谱

电池模拟：数值模拟结果显示，通过优化电子传输层（TiOₓ/SnOₓ）和空穴传输层（MoOₓ/NiOₓ）的厚度与带隙，基于钙钛矿吸收层的太阳能电池转换效率有望超过25%。

本研究证实，通过反应蒸发并结合低温退火工艺制备的p型金属氧化物薄膜，具备优异的光电特性，可作为高效的空穴传输材料。数值模拟预测其能实现25%以上的转换效率，为开发低成本、高性能的光伏电池提供了明确的实验方向与理论依据。

美能分光光度计

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美能分光光度计是一款用于测量物质透过率、反射率以及吸收率的检测仪器，它的基本原理是利用物质对某种波长的光具有选择性吸收的特性，来鉴别物质或测定其含量。

反射率测试：通过测量样品表面的反射光强度与标准反射板的反射光强度的比值，来计算样品的反射率

透过率测试：通过测量穿过样品的光强度与参比（空白）光强度的比值，来计算样品的透射率

光源波长范围：190－2800nm

测试波长范围：280-2500nm

 

 

美能分光光度计在300-850nm 范围，测 MoOₓ、NiOₓ等薄膜透光率（60%-80%），结合吸收系数算电子带隙（MoOₓ3.48eV、NiOₓ3.22eV），数据供 SCAPS-1D 仿真，支撑电池效率超 25% 结论，验证薄膜适配光伏HTM。

 

#无机p型金属氧化物 #空穴传输材料 #室温反应蒸发法

 

原文参考：Alternative p-type metal oxide films as hole transport materials for photovoltaic devices

 

 

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