斜角溅射ITO电极优化MAPbI₃钙钛矿太阳能电池

摘要

我们研究了溅射角度和时间对氧化铟锡（ITO）形貌及甲基铵碘化铅（MAPbI₃）钙钛矿薄膜性能的影响。将斜角溅射角度从0°增至80°，因PEDOT:PSS中间层表面润湿性改变，钙钛矿晶粒尺寸增大。以30°斜角、15 min沉积的ITO薄膜制得最高效器件（功率转换效率11.3%），凸显了电导率与光散射特性的平衡。

背景

氧化铟锡（ITO）凭借~96%可见光透射率和~10 Ω/sq方块电阻，仍是光电器件中最广泛的透明导电氧化物（TCO）。通过退火、气体比控制或掠角沉积（GLAD）调控ITO的光电特性，可获得柱状微观结构和各向异性的各向异性薄膜。基于CH₃NH₃PbI₃（MAPbI₃）的钙钛矿太阳能电池（PSC）效率显著提升，但多数器件采用各向同性TCO衬底。本研究探索斜角溅射ITO作为平面MAPbI₃ PSC衬底，考察表面各向异性对薄膜生长和器件性能的影响。

方法

ITO玻璃（1.5×1.5 cm²）经丙酮、乙醇、去离子水超声清洗（各5 min）并氮气吹干。在5 mTorr Ar下溅射100 nm ITO，变换沉积角度（0°、15°、30°、45°、60°、80°）和时间（5–30 min）。沉积后300 °C退火30 min。PEDOT:PSS（Clevios™ PH 1000）在斜角ITO上旋涂（5000 rpm，30 s），110 °C退火10 min。MAPbI₃采用两步旋涂法（1000 rpm，10 s；5000 rpm，20 s），前驱液为1 mL DMSO/GBL (1:1)（1.25 mmol PbI₂，1.25 mmol MABr）。第二步旋涂时滴加100 µL无水甲苯诱导快速结晶。100 °C退火10 min。PCBM（20 mg mL⁻¹氯苯）旋涂（3000 rpm，30 s）成50 nm层，真空蒸发20 nm Ag。器件有效面积0.5×0.2 cm²（掩膜版限定）。结构表征用XRD（Cu Kα）和场发射SEM；润湿性用水接触角评估。J-V特性在Keithley 2420下测，AM 1.5G 1000 W m⁻²照明。

结果与讨论

MAPbI₃薄膜结晶度随溅射角度不变；XRD峰位于14.28°、28.5°、30.61°、31.93°，分别对应(110) MAPbI₃、(220) MAPbI₃、(110) SnO₂、(222) In₂O₃，晶域尺寸≈71.8 nm（Scherrer公式）。FESEM显示晶粒随溅射角度增大而生长，证实ITO表面粗糙度和润湿性调控PEDOT:PSS润湿及钙钛矿成核。水接触角测量显示角度与晶粒尺寸线性相关，表明更疏水的PEDOT:PSS表面（高斜角实现）促进更大钙钛矿晶粒。

光致发光谱显示主发射峰768 nm，不受底层ITO影响。PL淬灭随溅射角度增强，指示PEDOT:PSS/钙钛矿界面激子分离改善——80°时最显著，因润湿性最优。

器件性能在30°溅射角峰值。15 min沉积兼顾最佳电导率和足够光散射。表1列出关键指标：JSC = 20.46 mA cm⁻²，VOC = 0.92 V，FF = 60%，效率 = 11.30%。角度超30°则方块电阻上升、效率下降，体现光电性能权衡。

进一步优化溅射时间（表2）。15 min沉积提供最佳厚度和电导率，同达到11.3%效率。

结论

我们证明斜角溅射ITO衬底调控MAPbI₃薄膜形貌和PSC性能。最优配置——30°溅射角、15 min沉积——实现11.3%效率，平衡电导率与光散射。30°以上方块电阻增加抵消光学增益，降低器件产出。研究凸显了调控TCO微观结构以提升钙钛矿光伏性能的重要性。

缩略语

FESEM

场发射扫描电子显微镜

GLAD

掠角沉积

ITO

氧化铟锡

J-V

电流密度-电压

MAPbI₃

CH₃NH₃PbI₃

PEDOT:PSS

聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐

TCO

透明导电氧化物

XRD

X射线衍射仪