针对提高DSSC光伏性能的纳米晶TiO2气体专用等离子体处理

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Gas-specific plasma treatment of nanocrystalline TiO2 for enhanced photovoltaic performance of DSSCs

　　

金亨珍|金珠美|申敏在|洪秉佑

韩国蔚山44610蔚山学院半导体工程系

摘要

为了研究气体类型对染料敏化太阳能电池光伏特性的影响，本研究对纳米晶TiO₂光阳极进行了气体依赖型射频等离子体处理。在相同的工艺条件下，使用H₂、N₂、CH₄和O₂气体进行等离子体处理，旨在选择性改变TiO₂表面而不影响其整体结构。光伏性能明显依赖于等离子体气体种类，其中H₂等离子体处理带来的功率转换效率最高，从4.3%提升至4.8%，相对提升了约11.6%。

器件参数也表现出因气体而异的变化趋势。短路电流密度(Jsc)有明显上升，尤其是经过H₂等离子体处理的样品，上升幅度约为8.4%；而填充因子(FF)在所有经等离子体处理的样品中都有所提高，增幅为5–11%；开路电压(V_oc)则基本保持不变。电化学阻抗谱分析表明，等离子体处理后界面电阻降低，电子寿命延长，说明电荷传输特性得到了改善。X射线光电子能谱分析显示，Ti⁴⁺/Ti³⁺比例及表面化学状态会因气体不同而有所变化，表明表面电子状态发生了改变。飞行时间二次离子质谱深度剖析和紫外-可见吸收光谱分析则显示，染料与表面的相互作用会因等离子体气体种类的不同而发生变化。这些结果表明，气体依赖型的等离子体处理能够改变TiO₂的表面电子状态，进而通过影响电荷的产生与传输行为来改变染料敏化太阳能电池的光伏特性。本研究有助于理解等离子体诱导的表面改性与氧化物基太阳能电池性能之间的关系。

引言

染料敏化太阳能电池因其简单的制造工艺以及在弱光条件下的较高效率，被视为传统光伏技术的一种具有成本优势的替代方案[[1], [2], [3]]。在染料敏化太阳能电池的各个组成部分中，纳米晶TiO₂光阳极在决定器件性能方面起着至关重要的作用，因为它影响着染料的吸附、电子注入以及电荷传输过程[[4], [5], [6]]。

TiO₂的表面性质尤为重要，因为TiO₂/电解质界面处的染料锚定、电子复合以及电荷转移等界面现象会显著影响整个光伏系统的性能[[7], [8], [9]]。先前的研究表明，通过对TiO₂进行表面改性，如缺陷工程、羟基功能化以及等离子体处理，可以有效改变这些界面性质[[10], [11], [12], [13]]。尤其值得一提的是，等离子体处理被认为是一种灵活且低温的方法，能够在不改变金属氧化物整体结构的情况下调整其表面化学性质[[14], [15], [16]]。

然而，尽管已有大量关于经等离子体处理的TiO₂光阳极的研究，但大多数研究都集中在整体性能的提升上，而等离子体处理对表面化学性质的 Gas特定效应及其与各项光伏参数之间的关联仍不够明确[[17], [18], [19]]。尤其是，目前还不清楚不同的等离子体气体是如何选择性地影响短路电流密度(J_sc)、填充因子(FF)和开路电压(V_oc)等关键器件参数的，而非仅仅均匀地提升整体效率。

在本研究中，我们系统地研究了不同气体类型的射频等离子体处理（H₂、N₂、CH₄和O₂）对用于染料敏化太阳能电池的纳米晶TiO₂光阳极的影响。通过结合X射线光电子能谱、电化学阻抗谱以及飞行时间二次离子质谱技术，我们分析了等离子体处理对表面化学性质、界面电荷传输行为以及染料吸附特性的影响。本研究的目的是阐明等离子体诱导的表面改性与器件性能之间的关系，并从机制层面理解气体依赖型等离子体处理是如何影响染料敏化太阳能电池的光伏行为的。了解等离子体诱导的表面改性如何影响J_sc和FF等光伏参数，对于改善染料敏化太阳能电池中的电荷传输和复合行为具有重要意义。尤其是，等离子体诱导的缺陷工程能够选择性地改变TiO₂的表面电子状态，包括氧空位和Ti³⁺供体态，而这些因素会显著影响电子注入、TiO₂/染料/电解质界面处的界面电荷传输阻力以及复合动力学。尽管已有相关研究，但表面缺陷演变与光伏性能之间的气体依赖关系仍需进一步探究。因此，本研究旨在系统地研究不同等离子体环境如何改变TiO₂的表面电子结构，以及这些变化如何与界面电荷传输特性及染料敏化太阳能电池的光伏性能相关联。

章节节选

实验细节

如图1(a)所示，纳米晶TiO₂光阳极薄膜是通过刮刀涂覆法制备在掺氟氧化锡（FTO，Solaronix，方阻为8 Ω/sq，厚度为130 nm）玻璃基底上的。首先将粒径为13 nm的TiO₂纳米粒子浆料涂覆在0.25 cm²的活性区域上，然后在600°C下烧结70分钟，形成适合染料吸附的多孔纳米晶TiO₂结构。烧结完成后，这些TiO₂薄膜还需经过

经等离子体处理的TiO₂光阳极的光伏性能

图1展示了染料敏化太阳能电池的制造流程以及应用于纳米晶TiO₂光阳极的射频等离子体化学气相沉积处理过程。图1(a)呈现了染料敏化太阳能电池的整体制造顺序。首先通过刮刀涂覆法在FTO玻璃基底上沉积纳米晶TiO₂薄膜，随后在600°C下进行热烧结，形成适合染料吸附的多孔TiO₂结构。在染料敏化处理之前，这些烧结后的TiO₂薄膜还需要经过等离子体处理，以便

结论

在本研究中，我们采用了气体特定的低温射频等离子体处理方法，对纳米晶TiO₂光阳极进行了处理，旨在研究其对表面性质及染料敏化太阳能电池性能的影响。使用H₂、N₂、CH₄和O₂气体进行的等离子体处理有效改变了TiO₂的表面性质，且没有引发结构相变，从而导致器件特性出现因气体种类而异的明显差异。

在所有测试条件下，H₂等离子体处理带来的性能提升最为均衡，使得功率

作者贡献声明

金亨珍：概念设计、数据整理、正式分析、初稿撰写、审稿与编辑。 金珠美：实验研究、方法设计。 申敏在：方法设计。 洪秉佑：方法设计、项目管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会(NRF)的资助，该基金由韩国政府(MSIT)提供支持（编号：RS-2025-24742993）。