分级结构TiO2微球的可控合成及其在高效介观钙钛矿太阳能电池中的应用研究

为解决钙钛矿太阳能电池(PSCs)中电子传输层(ETL)的电荷复合和界面稳定性问题，研究人员通过静电喷涂-水热联用技术构建了3D分级TiO2纳米棒-微球结构。该结构实现了21.3%的功率转换效率(PCE)和700小时稳定性，为开发高效稳定光伏器件提供了新策略。

　　

在能源危机与环境污染的双重压力下，第三代太阳能电池——钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其16-25%的认证效率、溶液加工特性和低成本优势，成为光伏领域的研究热点。然而，作为核心部件的电子传输层(ETL)仍面临关键挑战：传统TiO₂纳米颗粒存在电荷传输路径无序、表面缺陷多等问题，导致电荷复合严重；同时，ETL与钙钛矿吸光层的界面接触不良，制约着器件效率和稳定性。如何通过纳米结构工程同时实现高效电荷提取和长期稳定性，成为该领域亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，某研究团队在《RSC Advances》发表创新成果，首次将静电喷涂(e-spray)与水热法相结合，开发出具有3D分级结构的TiO₂纳米棒-微球ETL。这种独特的"微球为基、纳米棒为枝"的异质结构，既保留了TiO₂微球的高比表面积(90.1 m² g^-1)，又通过纳米棒阵列提供了定向电子传输通道。最终制备的PSCs实现了21.3%的冠军效率，在非封装条件下700小时后仍保持96%初始性能，创造了当时分级TiO₂光电极的效率纪录。

研究团队主要采用三项关键技术：1）静电喷涂法制备单分散TiO₂微球（8% P-25/乙醇溶液，13 kV电压）；2）水热法在微球表面生长金红石相TiO₂纳米棒（160°C，1.5小时）；3）两步旋涂法沉积CH₃NH₃PbI₃钙钛矿层（先PbI₂后MAI处理）。

3. 结果与讨论
3.1 形貌与结构表征
SEM显示静电喷涂制备的TiO₂微球呈单分散分布（直径60-70 nm），具有丰富的内部孔隙（1.35 cm³ g^-1孔体积）。水热处理后，微球表面均匀覆盖直径20 nm的纳米棒，形成"海胆状"分级结构。XRD证实微球为纯锐钛矿相(JCPDS 21-1272)，而纳米棒为金红石相，这种异质结有利于电荷分离。

3.2 光伏性能分析
J-V测试显示：传统TiO₂微球ETL器件效率为16.10%（J_SC=21.3 mA cm^-2，V_OC=1050 mV），而分级结构器件提升至19.54%（J_SC=23.8 mA cm^-2，V_OC=1110 mV）。最佳器件效率达21.3%，EQE在可见光区平均提升15%。统计30个器件的数据显示<1%的效率波动，证明工艺稳定性。

3.3 电荷动力学机制
稳态PL光谱表明分级结构ETL的荧光猝灭效率提高42%，证明其更强的电荷提取能力。IMVS测试显示电子寿命延长3倍，归因于纳米棒的定向传输抑制了复合。BET分析揭示分级结构具有优化的介孔分布（0.85 cm³ g^-1），既保证钙钛矿渗透又维持结构刚性。

4. 结论
该研究开创性地将静电喷涂与水热法耦合，构建了新型3D分级TiO₂纳米棒-微球ETL。这种结构通过三重优势实现性能突破：1）微球的高比表面积增加光吸收位点；2）纳米棒阵列提供定向电子高速公路；3）异质结界面促进电荷分离。研究不仅为PSCs提供了21.3%的效率新标杆，更开创了"溶液法构建分级ETL"的新范式，对推动光伏技术产业化具有重要启示。文中所用的低温溶液工艺（<300°C）与卷对卷生产兼容，为开发柔性光电器件奠定了基础。