一种室温溅射法制备二氧化钛薄膜的方法与流程

本发明属于无机纳米材料领域，具体涉及一种室温溅射法制备不同结晶度二氧化钛薄膜的方法，用于钙钛矿太阳能电池致密层。

背景技术：

近年来，在能源危机逐渐加剧，环境污染程度逐渐变深的背景下，全球光电研究领域取得了极大的进展，成为本世纪最具前景和战略意义的研究热点之一。在此领域中，由于成本低、工艺简单以及性能优秀，钙钛矿太阳能电池成为了光电器件领域的研究热点。该电池2009年首次提出的太阳光转换效率仅为4％，经过7年的发展如今认证效率已经高达22％，超过非晶硅太阳能电池和铜铟镓硒太阳能电池当前的光电转化效率，具有媲美单晶硅和多结砷化镓电池的潜力。因此，积极开展针对钙钛矿电池的研究，优化电池结构和组成材料，对今后国民经济可持续和创新发展有着重大的意义。实现电池具备高转换效率的基本途径就是提高光生载流子的提取，分离和运输的能力。

钙钛矿太阳能电池包含5层材料，这几层材料分别具有不同的性能。首先是透明导电电极，常用的是FTO(掺F二氧化锡)或者ITO(氧化铟锡)导电玻璃；随后是电子传输层，用于及时输运光生电子和阻挡光生空穴，抑制光生电子和光生空穴的复合；再次是钙钛矿吸收材料，主要是钙钛矿型有机铅卤化物(ABX3:A＝CH₃NH₃，B＝Pb，X＝Cl,I,Br)；再次是空穴传输层，用于及时输运光生空穴和阻挡光生电子，抑制光生电子和光生空穴的复合；最后是背电极，常用的是金，银和铜。因此，合适的电子传输层是高性能钙钛矿太阳能不可缺少的一部分。理想的电子传输层具有优秀的电子传输能力和空穴阻挡能力，在可见光范围内具备高透过率，较低的界面电阻，以及匹配钙钛矿吸收层导带位置的能级。到目前为止，二氧化钛和氧化锌是主要应用于电子传输层的材料。应用这两种材料作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池具有比较高的转换效率，然而氧化锌材料长期不稳定性影响了其市场化推广。因此，二氧化钛是最主要的，也是被认为前景最广阔的电子传输材料。

目前为止，报道的制备二氧化钛电子传输层方法主要是旋涂法和喷雾热解法。针对这两种制备方法，在合成过程中均需要高温煅烧过程，以提高纳米粉体的结晶性和获得致密的结构。高温处理极大的限制了柔性衬底电池的制备与应用，以及提高了生产成本。与此同时，旋涂法虽然简便，但是受制于尺寸的限制。仅仅在有限的电池面积下，可以获得均匀的电子传输层。而喷雾热解法制备的电子传输层面积虽然相应有所提高，但是其设备非常复杂，对于未来的大规模生产来说，有很大的局限性。其他的方法包括原子层沉积，溶胶凝胶，微波辅助和丝网印刷，均需要高温处理工程，并且最终制备的电池性能弱于前面两种方法。因此寻找一种可以低温制备大尺寸高性能电子传输层的方法势在必行。

技术实现要素：

针对现有技术中二氧化钛电子传输层合成温度高，条件苛刻的技术方法，本发明的目的在于提供一种不需要任何加热即可快速沉积制备不同结晶度二氧化钛纳米薄膜的方法。

在此，本发明提供一种室温溅射法制备不同结晶度二氧化钛薄膜的方法，采用直流磁控溅射法制备不同结晶度二氧化钛薄膜，其中靶材为纯钛靶，本底真空度在10^-4Pa以下，溅射气体为氩气和氧气，总压强为0.5～2.5Pa，氧分压为50％以下，靶材与基材的距离为7～20cm，初始基材温度为15～35℃，施加于所述靶材上的直流电源的功率为300～900W，沉积时间为5～30分钟，获得完全非晶或部分结晶的二氧化钛薄膜。部分结晶的二氧化钛薄膜的结晶度可为0～50％(优选不为0)。

本发明采用了简单快捷且能够精确控制薄膜厚度和性质的室温溅射法，在低温下制备得到不同结晶性质且性能优异的TiO₂纳米薄膜，基材初始的温度为室温，整个过程中不需要进行加热。相比于目前已经报道的完全非晶的二氧化钛薄膜，根据本发明的方法制备的二氧化钛薄膜的特点在于，可以自由调节二氧化钛薄膜的结晶度。本发明通过大量的对比试验发现，二氧化钛薄膜结晶度对基于该薄膜制备的钙钛矿太阳能电池性能有显著的影响。通过试验优化所得薄膜的结晶度，从而获得最佳的电池性能。因此本方案有显著的科学意义和实际意义。而且，由于更高的溅射功率，根据本发明的方法制备的部分结晶的二氧化钛纳米薄膜拥有更小的粗糙度，并且由于薄膜中存在的结晶纳米颗粒，因此该薄膜拥有更高的电子提取与转移效率，较小的界面电阻和价电子空穴复合能力。相比于广泛使用的溶液法，本发明的方法制备工艺更简便，不仅可以室温制备，而且薄膜更加致密和平坦，可以有效的降低薄膜的界面电阻。此外，磁控溅射法相比起溶液法制备的薄膜，致密高，表面粗糙度低，厚度连续可调，不受基材面积的影响，室温下可以即获得结晶的薄膜。

本发明中，通过控制溅射功率和/或气氛压力，提高溅射腔体中沉积粒子的能量，从而可以获得完全非晶和部分结晶的二氧化钛纳米薄膜。其中，控制靶材直流电源功率为500W～650W，控制总压强为1～1.5Pa，氧分压为15％～35％时，可以得到完全非晶的二氧化钛薄膜。

又，控制靶材直流电源功率为650W～750W，控制总压强为1～1.5Pa，氧分压为15％～35％时，可以得到部分结晶的二氧化钛薄膜。所述部分结晶的二氧化钛薄膜中结晶颗粒为锐钛矿相二氧化钛。

较佳地，所述总压强为0.5-2Pa，优选为1-2Pa。

较佳地，靶材直流电源功率为500W-700W。

上述制备方法中，氧气和氩气比例可以为1:1-1:10，优选为1:5-1:8，更优选为1:6。此外，所采用的氩气和氧气的纯度可为99.99％以上。

上述制备方法中，沉积前进行预溅射，所述预溅射的条件是：功率100-300W，时间5-30分钟，气氛是纯氩气，气体压力是0.5-1.5Pa。

较佳地，所述基材为FTO、AZO或ITO。

本发明还提供由上述方法制备得到的二氧化钛薄膜，所述薄膜为完全非晶或部分结晶的二氧化钛薄膜。所述二氧化钛薄膜的厚度为30nm-60nm。不同厚度的二氧化钛纳米薄膜可以通过控制溅射时间获得。溅射时间越长，厚度越大。

本发明的二氧化钛薄膜的可见光透过率在80％以上。此外，所述薄膜材料具备优异的电子分离和运输能力以及空穴阻挡能力，基于该薄膜材料制备的钙钛矿太阳能电池最佳光电转换效率大于15％。

本发明还提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述方法包括：在透明导电基材上依次溅射电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层以及背电极，其中，所述电子传输层为二氧化钛薄膜，所述二氧化钛薄膜由上述室温溅射法制备二氧化钛薄膜的方法制备得到。

本发明的优点；

薄膜制备条件温和，设备简单，节约资源能源；

磁控溅射法制备周期短，可以连续控制，不受限制于衬底尺寸和薄膜均匀性；

磁控溅射法制备工艺简单，稳定高，重复性好，市场化应用前景美好；

本发明的二氧化钛薄膜均匀致密，表面粗糙度低，与基底材料结合牢固，在可见光区透过率好。具有优秀的电子传输能力和空穴阻挡能力。并且该薄膜表面润湿性好，可以很好的与钙钛矿吸收材料接触，极大的降低了界面接触电阻。

附图说明

图1：磁控溅射示意图；

图2A：磁控溅射制备的完全非晶二氧化钛薄膜断面SEM；图2B：磁控溅射制备的部分结晶二氧化钛薄膜断面SEM；图2C：磁控溅射制备的部分结晶二氧化钛薄膜表面SEM；图2D：磁控溅射制备的完全非晶二氧化钛薄膜、磁控溅射制备的部分结晶二氧化钛薄以及纯FTO的XRD图；

图3：磁控溅射制备的完全非晶二氧化钛薄膜、磁控溅射制备的部分结晶二氧化钛薄以及纯FTO的可见光透过率；

图4：基于磁控溅射法制备的完全非晶二氧化钛薄膜和部分结晶二氧化钛的太阳能电池性能。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明涉及一种采用直流磁控溅射物理气相沉积技术在低温下制备不同结晶性质TiO₂纳米薄膜的方法。通过控制溅射功率和气氛压力，提高溅射腔体中沉积粒子的能量，从而可以获得结晶程度不同的二氧化钛纳米薄膜，可以用于钙钛矿太阳能电池电子传输层。通过控制溅射时间，可以获得不同厚度的二氧化钛纳米薄膜。根据本发明的方法制备的薄膜具有优秀的光生电子分离和传输效率，以及空穴阻挡效率。因此，相比于传统的制备方法，基于该薄膜的钙钛矿太阳能电池具有较高的填充因子和短路电流，电池光电转换效率更高。本发明的方法不仅简化传统电池制备工艺，节约成本，而且可以提高基于该薄膜电池性能，有利于促进钙钛矿太阳能电池的市场化应用。

以下，具体说明根据本发明的室温溅射法制备不同结晶度二氧化钛薄膜的方法。

首先，对基材进行清洗。本发明中，所述基材对尺寸和性状没有限制，可以为大面积的基材，另外，可以为刚性基材或柔性基材，例如可采用FTO、ITO、AZO或沉积有导电金属或者透明导电体的柔性衬底。

具体的，作为一个示例，清洗过程可以包括：将基材(例如FTO玻璃)超声清洗，分别用丙酮和无水乙醇超声清洗基材一定时间(例如各30分钟)。

接着，将清洗后的基材装入沉积所使用的直流磁控溅射系统设备中。图1示例性示出室温溅射法运行示意图。参见图1，沉积所使用的直流磁控溅射系统设备可以包括沉积腔室、进样室、载靶板、衬底板、直流电源、以及一系列的真空泵，其中载靶板与衬底板成一定角度，直流电源连接在载靶板上。具体的，作为一个示例，将清洗后的基材固定在衬底板上，放入进样室中，然后打开闸门装载到真空度(本底真空度)已达到10^－4Pa时以下的沉积腔室中。

接着，进行沉积制备二氧化钛薄膜。其中，可以在制备薄膜前进行一定程度的预溅射。具体的，作为一个示例，整个系统中靶材预溅射的条件可以设置为：功率100-300W，时间5-30分钟，气氛是纯氩气，以及气体压力是0.5-1.5Pa。此外，靶材可以采用纯钛靶。

本发明中，采用直流磁控溅射法制备二氧化钛薄膜。室温溅射法简单快捷，同时又可以精确控制薄膜厚度和性质。具体的，作为一个示例，沉积过程可以包括：将高纯(例如99.99％以上)氩气和氧气混合气体通入沉积腔室中，控制总压强和氧分压分别在0.5-2.5Pa和50％以下的范围内，氧分压优选为20％以下；控制靶材与基材的距离为7-20cm，初始基材温度为室温，并且整个过程中不需要额外的加热；开启直流电源，控制直流电源的功率为300-900W或者功率密度为3.8～11.5W/cm²，溅射纯钛靶材。沉积时间可为15-60分钟，沉积结束时基材温度在80℃以下。

在一个优选方案中，总压强为0.5-2Pa，更优选为1-2Pa，最优选为1.5Pa。

又，在一个优选方案中，氧气和氩气比例为1:1-1:10，更优选为1:5-1:8，最优选为1:6。

又，在一个优选方案中，施加在上述靶材上的直流功率为500W-700W，更优选为700W。

通过控制溅射功率和/或气氛压力，提高溅射腔体中沉积粒子的能量，从而可以获得具备不同的结晶程度，包括完全非晶的二氧化钛纳米薄膜和部分结晶的二氧化钛纳米薄膜。例如，控制靶材直流电源功率为500W～650W，控制总压强为1～1.5Pa，氧分压为15％～35％时，可以得到完全非晶的二氧化钛薄膜。根据本发明的方法制备的完全非晶的二氧化钛薄膜。

或者，控制靶材直流电源功率为650W-750W，控制总压强为1～1.5Pa，氧分压为15％～35％时，可以得到部分结晶的二氧化钛薄膜。其中，部分结晶的二氧化钛纳米薄膜是指非晶薄膜中含有一系列不连续的二氧化钛结晶颗粒。结晶度可为0～50％。部分结晶的二氧化钛薄膜中，结晶颗粒为锐钛矿相二氧化钛。本发明的部分结晶的二氧化钛薄膜由于其不同的组成，电子传输和分离速率有明显的提高。由于更高的溅射功率，部分结晶的二氧化钛纳米薄膜拥有更小的粗糙度，并且由于薄膜中存在的结晶纳米颗粒，因此该薄膜拥有更高的电子提取与转移效率，较小的界面电阻和价电子空穴复合能力。部分结晶的样品拥有更好的电子传输效率，因此基于这种薄膜制备的钙钛矿太阳能电池具有更高的太阳能转换效率。通过测试稳态荧光光谱和瞬态荧光光谱，可以发现部分结晶的二氧化钛薄膜具有更高的电子分离和传递效率。

通过控制溅射时间，可以获得不同厚度的二氧化钛纳米薄膜。

本发明的二氧化钛薄膜厚度可为30-60nm，优选30-50nm。厚度在30-60nm的薄膜具有一下几个方面的优点。厚度小于30nm时，可能存在二氧化钛不能完全覆盖FTO衬底的情况，因而FTO与钙钛矿吸收材料存在一定程度的直接接触，会发生光生电子和光生空穴直接复合的情况，因此太阳能转换效率会急剧降低。当薄膜厚度过大时，光生电子的传递路线过长，相应的损耗增加，同样不利于电池性能。

沉积结束后，等衬底(基材)由于粒子轰击产生的温度降回到室温，取出基材。因而制得沉积在衬底上的二氧化钛纳米薄膜材料。

这种室温溅射制备的薄膜具有优秀的光生电子分离和传输效率，以及空穴阻挡效率。通过入射单色光子-电子转化效率测试，可以发现本方法获得电子传输层性能优越。此外，由于是室温下制备，可以选用柔性衬底，可以制备柔性薄膜。

相比于传统的制备方法，基于该薄膜的钙钛矿太阳能电池具有较高的填充因子和短路电流，电池光电转换效率更高。室温溅射法不仅简化传统电池制备工艺，节约成本，而且可以提高基于该薄膜电池性能，有利于促进钙钛矿太阳能电池的市场化应用。

本发明的优点；

薄膜制备条件温和，设备简单，节约资源能源；

磁控溅射法制备周期短，可以连续控制，不受限制于衬底尺寸和薄膜均匀性；

磁控溅射法制备工艺简单，稳定高，重复性好，市场化应用前景美好；

本发明的二氧化钛薄膜均匀致密，表面粗糙度低，与基底材料结合牢固，在可见光区透过率好。具有优秀的电子传输能力和空穴阻挡能力。通过测试该薄膜的接触角可以发现，接触角仅为40°，因此表明该薄膜表面润湿性好，可以很好的与钙钛矿吸收材料接触，极大的降低了界面接触电阻。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的时间、温度、压力、功率等工艺参数也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

将基材(FTO玻璃)超声清洗，分别用丙酮和无水乙醇超声清洗基材各30分钟后，有序地固定在衬底板上，放入进样室中，然后打开闸门装载到真空度(本底真空度)已达到10^－4Pa以下的沉积腔室中。通入比例为1:6的氧气与氩气，控制总压强为1.5Pa，靶材与基材的距离为8cm，初始的腔室温度保持在室温(15～35℃)条件下开启直流电源(电功率为675W)，溅射纯钛靶材，沉积时间为15min，得到完全非晶的二氧化钛薄膜，如图2D所示。随后在通过真空蒸发制备钙钛矿吸收材料，旋涂制备空穴传输材料，以及真空蒸发制备背电极(Ag)。经过标准太阳能电池测试系统测试，该太阳能电池的光电转换效率为13.30％。

实施例2

将基材(FTO玻璃)超声清洗，分别用丙酮和无水乙醇超声清洗基材各30分钟后，有序地固定在衬底板上，放入进样室中，然后打开闸门装载到真空度(本底真空度)已达到10^－4Pa以下的沉积腔室中。通入比例为1:6的氧气与氩气，控制总压强为1.5Pa，靶材与基材的距离为8cm，初始的腔室温度保持在室温条件下开启直流电源(电功率为700W)，溅射纯钛靶材，沉积时间为15min，得到部分结晶的二氧化钛薄膜，XRD图谱如图2D所示，根据结晶度经验公式:

$R=\frac{X/Y}{M/N}$

(其中X和Y表示部分结晶样品和退火之后完全结晶样品XRD谱图中25.37°位置处峰的强度；M和N表示相应FTO的XRD谱图中37.8°位置处峰的强度值)可以知道结晶度为16.8％。随后在通过真空蒸发制备钙钛矿吸收材料，旋涂制备空穴传输材料，以及真空蒸发制备背电极(Ag)。经过标准太阳能电池测试系统测试，该太阳能电池的光电转换效率为13.30％。效率的提升主要是由于以下几个方面，首先，溅射功率提升，导致构成薄膜的粒子能量更高，因此薄膜更加致密，有利光生电子的传播。其次，高能粒子的持续轰击有利于促使薄膜表面更加平坦，有利于钙钛矿吸收材料在电子传输层表面润湿。最后也是最重要的，薄膜中存在大量个微晶颗粒，这些晶粒的存在可以富集电子的作用，是提升性能最主要的原因。

实施例3

将基材(FTO玻璃)超声清洗，分别用丙酮和无水乙醇超声清洗基材各30分钟后，有序地固定在衬底板上，放入进样室中，然后打开闸门装载到真空度(本底真空度)已达到10^－4Pa以下的沉积腔室中。通入比例为1:6的氧气与氩气，控制总压强为1.5Pa，靶材与基材的距离为8cm，初始的腔室温度保持在室温条件下开启直流电源(电功率为725W)，溅射纯钛靶材，沉积时间为15min，得到部分结晶的二氧化钛薄膜，基于结晶度经验计算公式，可得该薄膜的结晶度为32.3％。随后在通过真空蒸发制备钙钛矿吸收材料，旋涂制备空穴传输材料，以及真空蒸发制备背电极(Ag)。经过标准太阳能电池测试系统测试，该太阳能电池的光电转换效率为15.76％。相比于实施例2，基于该薄膜制备的太阳能电池性能进一步提升进一步证明伴随着结晶度的提高，结晶颗粒的比例提升与电池性能之间的关系。

实施例4

将基材(FTO玻璃)超声清洗，分别用丙酮和无水乙醇超声清洗基材各30分钟后，有序地固定在衬底板上，放入进样室中，然后打开闸门装载到真空度(本底真空度)已达到10－4Pa以下的沉积腔室中。通入比例为1:6的氧气与氩气，控制总压强为1Pa，靶材与基材的距离为8cm，初始的腔室温度保持在室温条件下开启直流电源(电功率为750W)，溅射纯钛靶材，沉积时间为15min，得到部分结晶的二氧化钛薄膜，根据结晶度经验公式可以测得该薄膜结晶度为49.2％。随后在通过真空蒸发制备钙钛矿吸收材料，旋涂制备空穴传输材料，以及真空蒸发制备背电极(Ag)。经过标准太阳能电池测试系统测试，该太阳能电池的光电转换效率为14.02％。相比于实施例3，基于该薄膜制备的太阳能电池性能有所降低，这是因为大量的结晶晶粒的存在可能对电子有一定的散射作用，从而会相应的削弱电池性能。

实施例5

将基材(FTO玻璃)超声清洗，分别用丙酮和无水乙醇超声清洗基材各30分钟后，有序地固定在衬底板上，放入进样室中，然后打开闸门装载到真空度(本底真空度)已达到10^－4Pa以下的沉积腔室中。通入比例为1:6的氧气与氩气，控制总压强为0.5Pa，靶材与基材的距离为8cm，初始的腔室温度保持在室温条件下开启直流电源(电功率为725W)，溅射纯钛靶材，沉积时间为10min，得到部分结晶的二氧化钛薄膜。随后在通过真空蒸发制备钙钛矿吸收材料，旋涂制备空穴传输材料，以及真空蒸发制备背电极(Ag)。经过标准太阳能电池测试系统测试，该太阳能电池的光电转换效率为8.16％。与实施例3相比，本实施例的工作时间减少，即沉积的薄膜厚度减小，因此可能某些区域FTO与钙钛矿吸收材料直接接触。光生电子和光生空穴会在这些区域发生复合，而这会极大的削弱电池太阳能电池性能。

实施例6

将基材(FTO玻璃)超声清洗，分别用丙酮和无水乙醇超声清洗基材各30分钟后，有序地固定在衬底板上，放入进样室中，然后打开闸门装载到真空度(本底真空度)已达到10^－4Pa以下的沉积腔室中。通入比例为1:6的氧气与氩气，控制总压强为1.5Pa，靶材与基材的距离为6cm，初始的腔室温度保持在室温条件下开启直流电源(电功率为725W)，溅射纯钛靶材，沉积时间为20min，部分结晶的二氧化钛薄膜源(电功率为725W)，溅射纯钛靶材，沉积时间为10min，得到部分结晶的二氧化钛薄膜。随后在通过真空蒸发制备钙钛矿吸收材料，旋涂制备空穴传输材料，以及真空蒸发制备背电极(Ag)。经过标准太阳能电池测试，统测试，该太阳能电池的光电转换效率为13.27％。与实施例3相比性能有所下降，这是由于随着溅射时间延长，薄膜的厚度增加，不利于电子的传递，因此太阳能电池相应的降低。

相比目前已经报导的非晶二氧化钛薄膜，本方案证明可以通过改进实验参数获得部分结晶的二氧化钛薄膜，并且基于这种薄膜可以获得更好的电池性能。通过对比试验，可以获得最佳的制备工艺。

表1示出基于磁控溅射法制备的完全非晶二氧化钛薄膜(实施例1)和部分结晶二氧化钛(实施例3)的太阳能电池性能数据，其中I_SC、V_OC、FF、PCE分别表示短路电流密度、断路电压、填充因子和电池转换效率。

表1

通过XRD分析(见图2D)，可以表征根据本发明制备的二氧化钛纳米薄膜具有不同的结晶性质，包括纯非晶二氧化钛薄膜，部分结晶的二氧化钛薄膜。通过AFM分析，可以知道部分结晶的二氧化钛薄膜可以具有更小的粗糙度。通过XPS分析，可以知道薄膜组成是纯二氧化钛，没有其他价态的钛或者氧存在。通过场发射扫描电子显微镜(见图2A、B、C)可以研究薄膜的形貌。

基于上述优异的性能，本发明制备的二氧化钛电池应用于钙钛矿太阳能电池的致密层，可以有效的分离和传输电子。由以上可知，本发明提出方法制备的二氧化钛薄膜显著的提高了钙钛矿太阳能电池中电子分离和传输效率。

另外，通过XRD可以表征非晶薄膜和部分结晶的区别，AFM可以表征薄膜的粗糙度。因此基于部分结晶二氧化钛纳米薄膜制备的钙钛矿太阳能电池光电转换效率高于基于完全非晶二氧化钛纳米薄膜的电池。因此通过本发明的制备方法能提供一种制备不同性质二氧化纳米薄膜的方法，并且基于该薄膜制备的太阳能电池具备较高的光电转换效率。

产业应用性：本发明制备30-60nm非晶和部分结晶的二氧化钛纳米薄膜，并且薄膜表面均匀致密，粗糙度低，可见光范围内透过率高。更加重要的是该薄膜具有优秀的电子传输效率和空穴阻挡能力，可以有效的提高基于该薄膜钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。因此本发明具有很大的应用与市场化前景。