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介孔 TiO2用于钙钛矿太阳能电池（PSCs）时存在电导率低、氧空位（OVs）缺陷多等问题，影响器件性能。研究人员开展 Li 掺杂 Ti-MOFs 衍生介孔 TiO2的研究，发现其可提升 PSCs 的 PCE 至 18.07% 且增强稳定性，意义重大。
在当今的能源研究领域，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSCs）凭借着高吸收系数、出色的双向载流子传输和扩散长度，以及低激子结合能等优势，成为了光伏技术中的 “潜力股”。短短时间内，其最高效率就飙升至超过 26%，让科研人员们看到了未来清洁能源利用的新曙光。然而，这一领域的发展并非一帆风顺。传统的 PSCs 结构常常依赖金、银等贵金属作为背电极，还需要使用昂贵且不稳定的空穴传输材料，这不仅大幅增加了成本，还使得电池的长期稳定性大打折扣。
与此同时，介孔 TiO2（mesoporous TiO2，mp-TiO2）作为 PSCs 中的电子传输材料，虽然能助力电子转移并提供结构支撑，但自身却存在诸多短板。它的电子迁移率低，限制了电子的有效传输；在紫外线照射下，TiO2表面容易产生氧空位（Oxygen Vacancies，OVs），这些空位会捕获电子；而且在晶界处，其较高的光催化活性会成为电荷陷阱，导致光生载流子因复合和分解而大量损失，严重影响了 PSCs 的整体性能。
为了突破这些瓶颈，来自云南大学的研究人员挺身而出，开展了一项极具创新性的研究。他们聚焦于 Li 掺杂 Ti-MOFs（Ti-based metal organic framework，钛基金属有机框架）衍生的 mp-TiO2，试图通过这种方式来优化 PSCs 的性能。研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为该领域的发展带来了新的思路和希望。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是通过 XRD（X 射线衍射）分析来探究 Li 掺杂 TiO2后的晶体结构变化；二是借助密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）计算，从理论层面深入研究 Li 掺杂对 TiO2的电子结构、氧空位形成能等方面的影响。
微观结构表征
研究人员首先利用 XRD 分析对 Li 掺杂 TiO2后的晶体结构变化展开研究。结果显示，样品存在对应于 TiO2锐钛矿相（101）、（004）和（200）晶面的三个显著峰。随着 Li 掺杂浓度增加，TiO2相并未改变，但相关峰却发生了位移。这表明 Li 掺杂虽未改变晶体相态，却对晶体结构产生了影响。
性能提升机制研究
实验发现，Li 掺杂有效减少了 mp-TiO2表面的 OVs 缺陷，进而提高了电导率。Li 掺杂使 TiO2的导带升高、带隙减小，改善了钙钛矿与 TiO2之间的能级对齐情况，同时缓解了钙钛矿层内的残余应力。DFT 计算表明，Li 掺杂提高了 OVs 的形成能，降低了带隙，减少了 Li-TiO2/ 钙钛矿界面的表面能，这些都有助于提升载流子迁移速率和提取效率，实验数据也有力地证实了这些理论结果。
电池性能测试
基于上述发现，研究人员将 Li 掺杂的 mp-TiO2应用于碳基可打印介观 PSCs（Carbon-based Printable Mesoscopic Perovskite Solar Cells，PM-PSCs）中。结果令人惊喜，采用 Li 掺杂的 PM-PSCs 的功率转换效率（Power Conversion Efficiency，PCE）高达 18.07%，并且稳定性得到显著增强。这主要得益于 Li 掺杂使器件的开路电压（Open-Circuit Voltage，Voc）、短路电流密度（Short-Circuit Current Density，Jsc）和填充因子（Fill Factor，FF）都得到了提升。
综合来看，该研究成功展示了一种通过使用 Li 掺杂 mp-TiO2作为改性电子传输层（Electron Transport Layer，ETL）来提高 PM-PSCs 效率的有效方法。Li 掺杂到 Ti-MOFs 衍生的 TiO2 ETL 中，能够提升 PM-PSCs 的 Voc、FF 和 PCE。这一性能提升主要源于两个关键因素：一方面，Li 掺杂有效地钝化了 mp-TiO2 ETL 中的氧空位缺陷，改善了电子迁移率和电导率，显著增强了电荷提取能力；另一方面，Li 掺杂优化了 TiO2与钙钛矿之间的能级对齐，缓解了钙钛矿层的残余应力，减少了载流子复合，提升了电池的整体性能。该研究成果为钙钛矿太阳能电池的进一步发展提供了重要的理论依据和实践指导，有望推动 PSCs 在实际应用中的广泛普及，为清洁能源领域注入新的活力，助力全球能源转型的加速实现。
