用于 dye-sensitized solar cell (DSSC) 应用的掺银 SnO2 薄膜电极的光电性能提升

《ACS Omega》：Enhancement of Optoelectronic Properties of Ag-Doped SnO2 Thin Film-Based Electrodes for DSSC Application

银掺杂SnO?薄膜通过喷涂法制备，系统研究了不同Ag浓度对结构、光学和电学性能的影响。发现0.4 wt% Ag掺杂的ASO4薄膜具有最高可见光透射率（88.7%）、最低电阻（4.26×10?? Ω·cm）和18.6 Ω/□的 sheets resistance，其DSSC器件效率达4.69%。温度稳定性测试表明ASO4在400°C仍保持良好性能。研究证实Ag掺杂可优化SnO?晶格结构，增强载流子迁移率，为低成本TCO替代材料开发提供新思路。

　　在当今快速发展的能源与电子技术领域，透明导电氧化物（TCO）因其在光电子器件中的关键作用而受到广泛关注。这些材料需要同时具备良好的电导率和光学透明度，以满足从太阳能电池到显示设备等多种应用的需求。传统的TCO材料如氧化铟锡（ITO）和氟掺杂氧化锡（FTO）虽然表现优异，但其高昂的成本和稀有元素铟的缺乏限制了它们在大规模生产中的应用。因此，科学家们正在积极寻找更加经济、不含铟的n型TCO材料，以满足未来技术发展的需求。

银掺杂二氧化锡（ASO）薄膜作为一种潜在的替代材料，显示出良好的电学和光学性能。在本研究中，通过喷雾沉积法制造了ASO薄膜，并系统分析了其结构、形貌、光学和电输运特性。研究发现，当银掺杂浓度达到0.4 wt%时，ASO薄膜在可见光范围内具有88.7%的透光率，同时具备较宽的禁带宽度（3.73 eV）和低电阻率（4.26 × 10?? Ω·cm），以及18.6 Ω/□的面电阻。这些性能使得ASO薄膜成为一种有前景的TCO候选材料。

为了深入理解电荷传输机制，研究者使用了阿伦尼乌斯分析来计算活化能，并通过四探针法评估了薄膜在不同温度下的电阻稳定性。结果表明，ASO薄膜在高达400°C的温度下仍能保持良好的电性能。这些发现对于在高温环境下的应用至关重要，特别是在需要高稳定性的光电子设备中。

此外，研究还探讨了ASO薄膜在染料敏化太阳能电池（DSSC）中的应用潜力。通过调整银掺杂浓度，研究者成功优化了DSSC的功率转换效率（PCE）。其中，0.4 wt%的ASO薄膜（ASO4）在DSSC中实现了高达4.69%的PCE，显示出其在光电子器件中的应用前景。这一结果不仅证明了ASO薄膜在性能上的优势，也强调了其在替代传统ITO/FTO电极方面的可行性。

为了全面评估ASO薄膜的性能，研究者采用了多种表征手段。X射线衍射（XRD）分析显示，随着银掺杂浓度的增加，薄膜的晶格参数和晶粒尺寸发生了变化。在0.4 wt%的掺杂浓度下，晶格参数的减少表明了晶格应变的增加，而晶粒尺寸的减小则与银离子的掺杂有关。这些变化进一步影响了薄膜的结构和性能，为理解其电学特性提供了重要线索。

场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）用于研究薄膜的表面形貌和元素组成。结果表明，随着银掺杂浓度的增加，薄膜的表面形貌逐渐从规则的多边形结构转变为更致密的纳米结构。这种结构变化不仅提高了薄膜的均匀性，还对电导率和光学性能产生了积极影响。

X射线光电子能谱（XPS）分析揭示了薄膜中锡离子的氧化态变化，以及银离子的掺杂对氧空位的影响。氧空位的增加为自由载流子的生成提供了条件，从而提高了电导率。同时，XPS还显示了银离子的+1价态，这表明其在SnO?晶格中的掺杂机制具有独特的物理化学意义。

光学特性分析进一步验证了ASO薄膜的潜力。通过紫外-可见光谱仪（UV–vis）测量，研究者发现ASO薄膜在可见光范围内的透光率显著优于未掺杂的SnO?薄膜。特别是在0.4 wt%的掺杂浓度下，ASO4薄膜的透光率达到了88.7%，而其禁带宽度也保持在较宽的范围内。这些特性使得ASO薄膜在光学透明度和电导率之间实现了良好的平衡。

电输运特性分析通过霍尔效应测量进行，结果显示随着银掺杂浓度的增加，薄膜的电导率显著提高。这主要是由于银离子的掺杂促进了氧空位的形成，从而增加了自由载流子的浓度。同时，研究者还分析了不同温度下的电导率变化，发现ASO薄膜在27至300°C的温度范围内表现出良好的稳定性。这种温度依赖性对于在高温环境下工作的光电子设备尤为重要。

研究还评估了ASO薄膜在DSSC中的实际应用效果。通过构建基于ASO薄膜的DSSC器件，研究者发现其在功率转换效率方面表现出色。ASO4薄膜在DSSC中实现了高达4.69%的PCE，这表明其在太阳能转换领域的应用潜力。此外，研究还揭示了银掺杂浓度对DSSC性能的显著影响，特别是对开路电压（Voc）和短路电流密度（Jsc）的优化。

电化学阻抗谱（EIS）进一步分析了DSSC器件的电荷传输特性。结果表明，ASO薄膜在不同频率范围内表现出不同的电荷传输行为，其中低频区域主要反映了扩散阻力，而高频区域则与电荷转移阻力相关。通过等效电路拟合，研究者发现ASO4薄膜在电荷转移和扩散阻力方面表现出最优的性能，这有助于提高DSSC的效率。

综上所述，银掺杂二氧化锡（ASO）薄膜作为一种新型的n型TCO材料，展现了优异的电学和光学性能。特别是在0.4 wt%的掺杂浓度下，ASO4薄膜在可见光范围内的透光率、电导率和稳定性均达到最佳状态，使其成为替代传统ITO/FTO电极的理想选择。这一研究不仅为新型光电子材料的开发提供了理论支持，也为未来太阳能技术的创新应用提供了实验依据。随着进一步的研究和优化，ASO薄膜有望在实际应用中发挥更大的作用，推动光电子器件和太阳能技术的发展。