自掺杂调控二氧化钛电子传输层构建高效碳基钙钛矿太阳能电池

为解决钙钛矿太阳能电池(PSCs)中电子传输层(ETL)表面形貌缺陷和电子传输动力学不足的问题，研究人员通过Ti3+自掺杂策略设计功能性TiO2 ETL，优化了薄膜结晶过程与能带结构，使无空穴传输层(HTL)的碳基CsPbI3 PSCs效率提升至18.62%，为无机C-PSCs领域提供了创新解决方案。

　　

钙钛矿太阳能电池(PSCs)被誉为下一代光伏技术的明星，其认证效率已突破26%，但无空穴传输层(HTL)的碳基结构(C-PSCs)仍面临电子传输层(ETL)性能不足的瓶颈。传统TiO₂ ETL在制备过程中易形成孔洞结构，导致钙钛矿与导电基底直接接触引发漏电；同时氧富集表面和深费米能级阻碍电子提取。这些问题像"隐形路障"般限制了C-PSCs的效率提升。

华南理工大学的研究团队独辟蹊径，提出Ti³⁺自掺杂策略重构TiO₂ ETL。通过溶胶-凝胶法在钛前驱体中引入TiCl₃作为掺杂源，结合高温退火工艺，成功构建了兼具理想形貌与优化能带的功能性ETL。研究采用X射线光电子能谱(XPS)证实氧空位形成，紫外光电子能谱(UPS)测定费米能级上移，并通过瞬态光电响应(TPV)分析界面电荷传输动力学。

Construction of compact TiO₂ ETL with less holes
研究发现Ti³⁺能促进钛溶胶颗粒组装，减少成孔剂用量并增强前驱体与基底的附着力。扫描电镜(SEM)显示掺杂后的TiO₂薄膜孔洞减少80%，有效阻隔钙钛矿与FTO的直接接触。

Enhanced interfacial electronic coupling
自掺杂诱导的表面氧空位暴露更多Ti⁴⁺活性位点，理论计算表明这些位点可作为电子陷阱态，使电子转移速率提升3倍。同步辐射分析证实Ti³⁺掺杂浓度与氧空位浓度呈线性相关。

Optimized energy band alignment
UPS测试显示掺杂使TiO₂费米能级从-4.35 eV上移至-4.18 eV，与CsPbI₃的能级差缩小0.17 eV。这种"能级缓坡"设计将电子提取势垒降低62%，开路电压(V_oc)提升至1.132 V。

Device performance
最优器件实现18.62%的光电转换效率(PCE)，填充因子(FF)达82.92%。在85°C持续光照1000小时后仍保持初始效率的92%，展现出优异的稳定性。

该研究通过"自清洁"式掺杂策略，同步解决了TiO₂ ETL的形貌缺陷和能带失配两大难题。不同于传统异质原子掺杂会引入深能级缺陷，Ti³⁺自掺杂既保持了TiO₂的本征特性，又通过精准调控氧空位浓度实现了界面动力学的"双优化"——既加速电子提取又抑制复合损失。这种"一石二鸟"的设计理念为其他氧化物半导体在光电领域的应用提供了范式转移，尤其对推动低成本C-PSCs的产业化具有里程碑意义。论文发表于《Chinese Journal of Chemical Engineering》，通讯作者为Xinhua Zhong（钟新华）教授团队。